Encontrar la fuente de las reacciones químicas
Los científicos buscan constantemente el origen de cosas como el origen del universo, la materia o la vida. Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), en colaboración con el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y varias otras universidades, han demostrado una forma de detectar experimentalmente el aspecto más oculto de todas las reacciones químicas: el estado de transición extremadamente breve que se produce en su inicio. Este descubrimiento fundamental podría ser decisivo para obtener la capacidad de predecir y controlar externamente los resultados de los procesos químicos.
"El estado de transición es clave en toda la química porque controla los productos de las reacciones moleculares", dijo Kirill Prozument, autor principal y químico de la división de Ciencias Químicas e Ingeniería de Argonne. Armados con un conocimiento más completo de ciertas reacciones químicas a partir del estado de transición, los investigadores podrían ser capaces de mejorar los procesos industriales que implican la producción de enormes cantidades de un producto químico - ahorrando enormes cantidades de energía y dinero, así como reduciendo los residuos. El mismo principio podría aplicarse también a la síntesis de nuevas drogas que salvan vidas.
La vida de esta fase de transición es breve, tan corta como una cuatrillonésima de segundo. El problema ha sido que hasta ahora no ha sido posible observar experimentalmente la estructura de este estado fugaz o incluso extraer suficientes detalles sobre él indirectamente de los productos químicos creados por él.
"Los físicos no pueden observar directamente el Big Bang, que ocurrió hace casi 14.000 millones de años, o el estado de transición que llevó a la formación de nuestro universo", explicó Prozument. "Pero pueden medir varios mensajeros que quedan del Big Bang, como la distribución actual de la materia, y así descubrir muchas cosas sobre el origen y la evolución de nuestro universo. Un principio similar se aplica a los químicos que estudian las reacciones".
Un elemento central de este logro es la técnica experimental del equipo, la espectroscopia de ondas milimétricas de impulsos cortos, que permite la caracterización de múltiples estados de transición que compiten entre sí sobre la base de las moléculas excitadas vibratoriamente que resultan en el período inmediatamente posterior a una reacción. Esta técnica no tiene rival en su precisión para determinar la estructura molecular y resolver las transiciones que se originan a partir de los diferentes niveles de energía vibratoria de las moléculas del producto.
Muchas manos contribuyeron al perfeccionamiento de esta técnica experimental para ampliar su alcance de la región de las microondas a la región milimétrica, entre ellas Prozument y Robert Field, el Profesor de Química Robert T. Haslam y Bradley Dewey del MIT y el autor principal del estudio.
Con esta poderosa técnica, el equipo analizó la reacción entre el cianuro de vinilo y la luz ultravioleta producida por un láser especial, que forma varios productos que contienen hidrógeno, carbono y nitrógeno. Fueron capaces de medir las energías vibratorias asociadas a las moléculas del producto recién formado y las fracciones de moléculas en varios niveles de vibración. El primero indica las amplitudes de los átomos de una molécula que se mueven en relación con los demás. Este último proporciona información sobre la geometría de los grupos de átomos en el estado de transición cuando están dando nacimiento a una molécula producto - en este caso, el grado de excitación de la flexión en el ángulo de unión entre los átomos de hidrógeno, carbono y nitrógeno. Basándose en sus mediciones, el equipo identificó dos estados de transición que gobiernan diferentes vías por las que la molécula de cianuro de hidrógeno (HCN) surge a la vida a partir de la reacción.
"Nuestro trabajo demuestra que la técnica experimental funciona en principio", dice Prozument. "El siguiente paso será aplicarlo a reacciones más complejas y a diferentes moléculas". El trabajo del equipo podría así un día tener un gran impacto en el campo de la química.
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