Importante avance en la química de los compuestos fluorados
Superando el "muro de flúor": los investigadores observan por primera vez el efecto túnel de átomos pesados
Un equipo internacional de investigación formado por científicos de la Universidad Libre de Berlín y del Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) de Francia, en colaboración con la Universidad de Lorena en Metz (Francia), ha logrado un importante avance en la química de los compuestos fluorados. Con ayuda de simulaciones de química cuántica, han podido demostrar por primera vez que los átomos pesados de flúor también pueden hacer un "túnel", es decir, transformarse entre dos estados. El estudio "Experimental Observation of Quantum Mechanical Fluorine Tunneling" se publicó en la revista científica Nature Communications. Abre nuevas perspectivas para controlar las reacciones químicas y comprender mejor qué hace que determinados compuestos fluorados sean especialmente estables o reactivos.
El flúor y los compuestos fluorados son habituales en nuestra vida cotidiana. Los grupos fluorados mejoran la absorción de medicamentos en el organismo; los compuestos fluorados hacen que las baterías de los móviles sean más eficientes y duren más; y el flúor de los dentífricos previene las caries. Al mismo tiempo, las sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS) plantean un problema creciente para la salud humana y el medio ambiente.
Es necesario investigar a fondo la ciencia que subyace a las interacciones producidas por el flúor y sus compuestos para comprender plenamente tanto los efectos positivos como los negativos del flúor en los compuestos. Este es uno de los objetivos del Centro de Investigación Colaborativa (CRC) 1349 "Interacciones específicas del flúor", financiado por la Fundación Alemana de Investigación (DFG) desde 2019. En el marco del CRC 1349, los equipos dirigidos por el profesor Sebastian Hasenstab-Riedel y la profesora Beate Paulus, de la Freie Universität de Berlín, junto con el profesor Jean Christophe Tremblay, del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia (CNRS), en colaboración con la Université de Lorraine en Metz, Francia, han descubierto ahora una interacción única específica del flúor.
Hace más de una década, Hasenstab-Riedel y su equipo lograron capturar una molécula inusual en un cristal de neón a -270°C. Esta molécula, un anión formado por sólo cinco átomos de flúor, muy cargados e inestables, no debería existir. Sin embargo, la molécula se mantuvo sorprendentemente estable.
Para entender qué mantenía unida a esta molécula, los investigadores del equipo de Paulus y Tremblay llevaron a cabo exhaustivos cálculos y simulaciones de mecánica cuántica. Se encontraron con un efecto sorprendente que hasta entonces se había observado principalmente en el hidrógeno, que es muy ligero, pero que se consideraba prácticamente imposible para el átomo de flúor, relativamente pesado. Los investigadores lograron demostrar que incluso los átomos de flúor pueden hacer un túnel efectivo, es decir, hacer que una molécula se transforme espontáneamente entre dos estados que en realidad están separados por una barrera de energía finita.
Este tipo de tunelización ya se ha observado en otras moléculas de elementos mucho más ligeros, como el hidrógeno y el oxígeno. Hasta ahora, los investigadores suponían que los átomos de flúor eran demasiado pesados para formar túneles, por lo que solían hablar de un "muro de flúor" cuando se trataba de tunelización.
Sin embargo, este nuevo estudio parece significar un cambio de paradigma. La combinación de condiciones especiales de enlace en moléculas atrapadas en un espacio muy pequeño parece hacer posible que átomos más pesados que el oxígeno puedan hacer un túnel. "Los hallazgos no sólo amplían nuestra comprensión de los enlaces químicos en compuestos fluorados", afirma el Dr. Carsten Müller, de la Universidad Libre de Berlín, primer autor del estudio. "También nos han proporcionado nuevas herramientas para controlar las reacciones moleculares de forma selectiva, ya sea en la investigación de materiales, la medicina o el diseño de nuevas tecnologías".
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