La física cuántica también está ayudando a controlar reacciones químicas

Controlar las reacciones químicas para generar nuevos productos es uno de los grandes desafíos de la química y los avances en esa línea tienen impacto en la industria, por ejemplo, mediante la reducción de los desperdicios que se generan en la fabricación de materiales para la construcción o mejorando la producción de catalizadores que se usan para acelerar estas reacciones.

Por esta razón, en el campo de la química de polaritones- que utiliza herramientas de química y de óptica cuántica- en los últimos diez años diferentes laboratorios en el mundo han  desarrollado experimentos en cavidades ópticas para manipular la reactividad química de moléculas a temperatura ambiente, usando campos electromagnéticos. Algunos han conseguido modificar reacciones químicas en compuestos orgánicos, pero a la fecha, y sin avances relevantes en los últimos dos años, ningún equipo de investigación había logrado contar con un mecanismo físico general para describir el fenómeno y que permitiera reproducirlo para obtener las mismas mediciones de manera consistente.

Ahora un equipo de investigadores de la Universidad de Santiago de Chile, parte del Instituto Milenio de Investigación en Óptica (MIRO), a cargo del investigador principal Felipe Herrera, y un laboratorio de la división de química del US Naval Research Laboratory, en Estados Unidos, liderado por el investigador Blake Simpkins reportó por primera vez la manipulación de la tasa de formación de moléculas de uretano en una solución contenida al interior de una cavidad óptica.

Este descubrimiento fue publicado el 16 de junio de 2023 en la sección de química de la revista Science y comprueba por primera vez, tanto teórica como experimentalmente, que es posible modificar selectivamente la reactividad de ciertos enlaces en una reacción química a temperatura ambiente en un solvente líquido, por medio de la influencia del vacío del campo electromagnético en un estrecho rango de frecuencias infrarrojas. “Este es un descubrimiento teórico que mejora nuestra comprensión fundamental del fenómeno respecto a otros modelos que se limitan a explicar aspectos parciales de las observaciones experimentales o que simplemente refutan la evidencia experimental por completo”, comenta el investigador  Felipe Herrera.

Nuevos límites para manipular las moléculas

¿Por qué es tan difícil controlar las reacciones químicas? Cuando se producen reacciones químicas los enlaces que unen los diferentes átomos que componen una molécula se rompen y se reordenan, formando nuevas sustancias a las cuales se les conoce como productos. Para que este proceso ocurra es necesario aplicar energía y existen diversos principios físico-químicos que desde fines del siglo XIX nos han ayudado a entender cómo se generan estas transferencias de energía según las leyes de la termodinámica.

Asimismo, existen principios de reactividad basados en las estructuras de las moléculas, como los planteados por Eyring, Evans y Polanyi en 1935 y que se usan ampliamente en todas las áreas de la química. En estos principios básicos se asume que cada reacción entre dos moléculas es independiente de las demás reacciones que puedan estar ocurriendo en una solución. “Eso es muy válido en casi todas las situaciones que se han estudiado en 80 años y más, pero el vacío electromagnético crea correlaciones entre las distintas reacciones químicas que ocurren dentro del volumen de la cavidad, y esas correlaciones creadas por el campo electromagnético en principio hacen que los supuestos tradicionales de reactividad química tengan que ser revisados”, explica el Dr. en Química Felipe Herrera.

“El aporte experimental de este estudio es la confirmación de la modificación de las tasas de reacción por medio de la interacción con el vacío del campo electromagnético confinado dentro de la cavidad, usando una reacción química bastante estudiada y con cambios más significativos que los encontrados con otro tipo de reacciones. En la parte teórica, el aporte se centra en que al modificar la dinámica de los enlaces químicos que participan mayoritariamente en la reacción, a través de la radiación infrarroja, es posible controlar los productos”, agrega el Dr. en Física Johan Triana, investigador posdoctoral de MIRO y la Universidad de Santiago que participó en la generación del modelo matemático y los cálculos numéricos para la descripción del sistema molecular.

Reproducir e interpretar las mediciones

La preparación de esta publicación comenzó en 2020, cuando la entonces investigadora posdoctoral del US Naval Research Laboratory, actualmente profesora en la Universidad de Bilkent, Dra. Wonmi Ahn, realizó los primeros experimentos. En 2021 Blake Simpkins preparó nuevas muestras para asegurarse de que las mediciones eran reproducibles y mejoró las celdas líquidas donde se producen las reacciones químicas. A mediados de ese año, el investigador Felipe Herrera comenzó a tener reuniones periódicas con Simpkins para indagar posibles respuestas teóricas que dieran sustento a los resultados que se obtenían, y que diferían de los resultados que se habían reportado anteriormente en la Universidad de Estrasburgo, lugar donde se reportaron los primeros resultados en 2015.  “Nosotros optamos por partir de cero y construir una teoría que tome todos los aspectos físicos de la óptica cuántica en consideración, pero que bajo condiciones específicas se reduce a la teoría de reactividad estándar de la química teórica”, explica el académico USACH Felipe Herrera.

El resultado del proceso es la publicación “Modification of ground-state chemical reactivity via light–matter coherence in infrared cavities”, liderada por Simpkins (US Naval Research Laboratory) y Herrera (MIRO, Universidad de Santiago de Chile) , con la participación de la investigadora Wonmi Ahn, (Universidad de Bilkent, Turquía), el investigador Johan Triana y el estudiante de doctorado Felipe Recabal, ambos parte del Molecular Quantum Technology group de MIRO, en la USACH.

Este primer trabajo abre nuevas posibilidades y desafíos para la ciencia, ya que, según explica el Dr. Herrera “necesitamos desarrollar un marco teórico y matemático lo suficientemente simple y general que cualquier investigador del mundo pueda utilizar para interpretar sus experimentos y ojalá diseñar nuevos tipos de mediciones que nadie ha visionado aún”.  En ese sentido, Herrera menciona una de sus ambiciones como científico que transita entre la física y la química: “sería bonito para nosotros ser los primeros en el mundo en construir esta clase de teoría que una dos de las disciplinas más exitosas de la ciencia moderna: la reactividad química y la física cuántica”.