Mejor química a través de antenas diminutas

02.09.2019

Institute of Industrial Science, the University of Tokyo

Un equipo de investigación de la Universidad de Tokio ha introducido un poderoso método para romper activamente los enlaces químicos utilizando excitaciones en antenas diminutas creadas por los láseres infrarrojos. Este proceso puede tener aplicaciones a través de la química como una forma de dirigir las reacciones químicas en las direcciones deseadas. En particular, las reacciones utilizadas en los sectores energético, farmacéutico y manufacturero pueden ser mucho más eficientes al aumentar los rendimientos y reducir los residuos.

La química es una tarea complicada, ya que puede haber una variedad de formas en que las sustancias químicas iniciales pueden reaccionar, y cada vía puede llevar a la formación de un producto diferente. A lo largo de los años, los químicos han desarrollado muchas herramientas, como cambiar la temperatura, la concentración, el pH o el disolvente, para estimular la reacción y maximizar el rendimiento de las moléculas deseadas.

Sin embargo, si se les da la habilidad de controlar selectivamente la creación o ruptura de enlaces individuales dentro de una molécula, los científicos podrían mejorar enormemente la eficiencia de estas reacciones, a la vez que se minimizan los productos secundarios no deseados. "Ser capaz de controlar las reacciones químicas a nivel molecular, es decir, la capacidad de romper o formar enlaces químicos de manera selectiva, es un objetivo importante para los químicos físicos", dice el primer autor, Ikki Morichika.

Una forma de controlar qué enlaces se rompen durante una reacción química es conseguir que las moléculas vibren excitándolas con luz láser infrarroja. Dado que cada tipo de enlace químico absorbe una longitud de onda de luz en particular, pueden activarse individualmente. Desafortunadamente, es difícil suministrar suficiente energía a través de la muestra para generar la intensidad de vibración requerida. El equipo de la Universidad de Tokio pudo superar este problema fabricando diminutas antenas de oro, cada una de ellas de tan sólo 300 nanómetros de ancho, e iluminándolas con láseres infrarrojos. Cuando la luz infrarroja de la frecuencia correcta estaba presente, los electrones en las antenas oscilaban de un lado a otro en resonancia con las ondas de luz, lo que creaba un campo eléctrico muy intenso. Este fenómeno se denomina "resonancia plasmónica" y requiere que las antenas tengan la forma y el tamaño adecuados. La resonancia plasmónica centró la energía del láser en las moléculas cercanas, que comenzaron a vibrar. La vibración se incrementó aún más al dar forma a la forma de onda del láser infrarrojo para que la frecuencia cambiara rápidamente en el tiempo, recordando el canto de los pájaros. "Esto demostró con éxito que la combinación de óptica ultrarrápida y nano-plasmónica es útil para una excitación vibratoria selectiva y eficiente", dice el autor principal Satoshi Ashihara.

En el futuro, esta técnica podría aplicarse a la producción de combustibles más limpios o de productos farmacéuticos más baratos a medida que se vayan optimizando los procesos químicos.

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