En las moléculas hay ciertos grupos de átomos que pueden rotar. Este movimiento ocurre bajo la influencia de estímulos aleatorios del ambiente y no es continuo, sino que ocurre en saltos. En general, se cree que tales saltos ocurren de una manera que estípico de los objetos clásicos, como una aspa del ventilador impulsada por un dedo. Sin embargo, los químicos de los institutos de la Academia de Ciencias de Polonia en Varsovia han observado rotaciones que siguen las reglas no intuitivas del mundo cuántico.En las condiciones apropiadas, las rotaciones cuánticas pueden imitar muy bien la rotación normal y clásica.
La química a menudo se presenta como una diversión casi mecánica que conecta bolas atómicas con palos enlaces. Sin embargo, el profesor Slawomir Szymanski del Instituto de Química Orgánica de la Academia de Ciencias de Polonia IOC PAS en Varsovia está seguro de que en realidad es mucho másLos fenómenos exóticos y no intuitivos de naturaleza cuántica son responsables de algunos de los efectos observados en las moléculas. Durante años ha estado desarrollando un modelo que describe en términos cuánticos las rotaciones de salto de grupos enteros de átomos en las moléculas. El trabajo teórico del Prof.Szymanski acaba de encontrar más confirmación en experimentos realizados en el Instituto de Química Física del PAS IPC PAS por un grupo dirigido por el Dr. Piotr Bernatowicz, y descrito en el Revista de Física Química .
"En química, la mecánica cuántica se usa casi exclusivamente para describir el movimiento de electrones diminutos. Los núcleos atómicos, incluso aquellos tan simples como el núcleo de hidrógeno hecho de un solo protón, se consideran demasiado grandes y masivos para estar sujetos a efectos cuánticos.En nuestro trabajo, demostramos que esta visión conveniente pero muy simplista finalmente debe comenzar a cambiar, al menos en relación con ciertas situaciones ", dice el profesor Szymanski.
El modelo de rotación cuántica del profesor Szymanski describe la rotación de grupos atómicos compuestos de elementos idénticos, por ejemplo, átomos de hidrógeno. La última publicación, completada en cooperación con el grupo del Dr. Bernatowicz, se refiere a los grupos metilo CH3. En su estructura, estos grupos recuerdan ahélices pequeñas: hay tres átomos de hidrógeno alrededor del átomo de carbono, espaciados a intervalos iguales. Se sabe desde hace mucho tiempo que los grupos metilo, conectados por un átomo de carbono a las moléculas, pueden hacer saltos rotacionales: todos los átomos de hidrógeno puedensimultáneamente gire 120 grados alrededor del carbono. Estas rotaciones siempre han sido tratadas como un fenómeno clásico en el que las 'bolas' de hidrógeno simplemente saltan a los 'pozos' adyacentes que acaban de abandonar sus vecinos.
"Utilizando la resonancia magnética nuclear, realizamos mediciones difíciles pero precisas en polvos de cristales individuales de trifeniletano, un compuesto de moléculas que contienen cada uno un grupo metilo. Los resultados no dejan lugar a dudas. Las formas de las curvas que registramos, por lo tantollamados espectros de resonancia de polvo, solo pueden explicarse suponiendo que los fenómenos cuánticos son responsables de las rotaciones de los grupos metilo ", dice el Dr. Bernatowicz.
Las mediciones de la rotación de los grupos metilo por resonancia magnética nuclear requirieron un control preciso de la temperatura de las sustancias en polvo. Esto se debe a que la naturaleza cuántica de la rotación solo se hace claramente visible en un rango de temperatura estrecho. Cuando la temperatura es demasiadobaja, la rotación se detiene, y cuando es demasiado alta, las rotaciones cuánticas se vuelven indistinguibles de las clásicas. Las temperaturas de los experimentos en el IPC PAS, en el que la naturaleza cuántica de las rotaciones era claramente visible, oscilaban entre 99 y 111 Kelvin.
Una nueva imagen de la realidad química emerge de esta investigación. El grupo CH3 en la molécula ya no es un simple rotor compuesto por un núcleo de carbono y tres átomos de hidrógeno unidos rígidamente. Su naturaleza real es diferente: en ella ningún átomo de hidrógeno ocupa unposición separada en el espacio, lo que es más, cada uno de ellos se mezcla continuamente de manera cuántica con los otros dos. El grupo metilo, aunque está formado por muchos átomos, en las condiciones adecuadas resulta ser un ser cuántico único y coherente que noparecerse a cualquier objeto conocido por nosotros del mundo cotidiano.
Una descripción del movimiento clásico del rotor atómico se puede construir usando una constante que mide la frecuencia promedio de sus saltos. Resulta que en el modelo cuántico, debe haber dos constantes y dependen de la temperatura. Cuando la temperatura aumenta,ambas constantes adquieren un valor similar y las rotaciones del grupo metilo comienzan a parecerse a las rotaciones clásicas.
"En nuestras mediciones realmente observamos la transformación gradual de las rotaciones cuánticas de los grupos metilo en rotaciones difíciles de distinguir de las clásicas. Este efecto debe entenderse adecuadamente. Los fenómenos cuánticos no dejaron de funcionar, pero de cierta maneraimitó saltos clásicos ", explica el Dr. Bernatowicz.
Los científicos del IPC PAS y el IOC PAS ya habían confirmado anteriormente la corrección del modelo de rotación cuántica en experimentos con grupos metilo entre otros en moléculas de dimetiltriptyceno, donde estos efectos fueron acompañados por cambios dinámicos en la red cristalina., las predicciones sobre las rotaciones de una estructura atómica mucho más compleja, el anillo de benceno C6H6, esperan verificación experimental.
"Nuestra investigación es de naturaleza básica y es difícil hablar aquí inmediatamente sobre aplicaciones específicas", señala el profesor Szymanski y agrega: "Sin embargo, vale la pena enfatizar que los efectos cuánticos se consideran extremadamente sensibles al medio ambiente".Los químicos y físicos suponen que en ambientes muy densos son destruidos por los movimientos térmicos de los alrededores. Observamos efectos cuánticos a temperaturas relativamente altas, además de ambientes condensados: líquidos y cristales. Los resultados que obtenemos deberían ser una advertencia para los químicos.o físicos a los que les gustan las interpretaciones simplificadas "
La imitación de la física clásica por fenómenos cuánticos, además de en un ambiente denso y relativamente cálido, es un efecto sorprendente que debería llamar la atención, entre otros, de los constructores de nanomáquinas. Al diseñar dispositivos moleculares cada vez más pequeños, deben comenzardarse cuenta de que en un momento que es difícil de predecir, pueden pasar involuntariamente del mundo de la física clásica al mundo de los fenómenos cuánticos. Bajo nuevas condiciones, el funcionamiento de las nanomáquinas podría dejar de ser tan predecible como, por ejemplo, el reloj mecánico.
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Materiales proporcionados por Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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