¡Escuchen con atención! Un experimento en la UM registra una reacción química ultrarrápida con ecos de vibración

02.09.2010: Para observar cuando un mago transforma un florero en un conejo lo mejor es tener un asiento en la primera fila. Del mismo modo para las transformaciones químicas que ocurren en las soluciones, el mejor puesto de observación lo tienen las moléculas espectadoras que están más cercanas a la acción. Estas moléculas especiales forman la “primera capa de solvación” , y aunque durante décadas se ha sabido que esas moléculas pueden sentir y dictar el destino de casi todas las reacciones químicas, ha sido virtualmente imposible observarlas en su respuesta. Los investigadores de la Universidad de Michigan, Kevin Dubarych y Carlos Baiz, sin embergo, lo lograron recientemente. Su trabajo se publicó en la revista Journal of the American Chemical Society.

Hasta ahora había sido difícil observar la capa solvente en acción por varias razones. Primero, los pasos fundamentales en las reacciones químicas son extremadamente rápidos. La “filmación” de una reacción química requiere una cámara con una velocidad de apertura de femtosegundos (un femtosegundo es el tiempo que demora la luz en recorrer la longitud de una bacteria, aproximadamente un micrómetro, o una centésima del espesor de un cabello humano).

Segundo, una solución contiene muchas moléculas solventes, pero sólo unas pocas tienen el privilegio de estar en la primera capa de solvación y de participar en la reacción. Finalmente la mayoría de las sondas espectroscópicas de líquidos no son químicamente específicas, es decir que no pueden identificar la especie particular de molécula que están observando.

Para resumir: la observación de la respuesta de la primera capa de solvación a una reacción química requiere una combinación de tiempo de resolución ultrarrápida y la capacidad de iniciar la reacción y observar la respuesta de la capa solvente. Es esta combinación que han alcanzado Kubarych, un profesor asistente de química, y el estudiante graduado Baiz.

Su innovación ocurrió cuando se dieron cuenta de que los electrones se mueven durante las reacciones químicas y que cuando las moléculas solventes más cercanas perciben la redistribución de electrones se modifican sus frecuencias de vibración. De la misma forma en que las cuerdas de un instrumento musical están íntimamente conectadas al cuello y cuerpo de madera, la capa solvente y la molécula que reacciona están estrechamente acopadas y es difícil separarlas. De hecho, el acto mismo de sostener un instrumento puede causar que el instrumento se combe o caliente y, en principio, estos cambios afectan la frecuencia de la vibración de las cuerdas. Igualmente, el mismo enfoque de la dinámica de reacción introducido por el laboratorio de Kubarych, esencialmente, “escucha2 los acontecimientos muy veloces en las reacciones químicas notando los cambios en las frecuencias de resonancia de las moléculas circundantes.

“Este nivel de información detallada sobre los complejos ambientes comunes en las transformaciones químicas es único”, dijo Kubarych, “y promete brindarnos un avance notable hacia la comprensión de las reacciones naturales y artificiales de transferencia de carga, procesos que son de importancia fundamental en contextos que van desde la respiración celular a la conversión de la energía solar”.

La investigación tuvo el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias y la Escuela de Grado Rackham de la UM.