La molécula de ácido fórmico tiembla en la tercera dimensión
El temblor cuántico: por qué no hay moléculas verdaderamente planas
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El ácido fórmico se considera una molécula en la que todos los átomos se encuentran en un mismo plano. Un equipo de investigación de la Universidad Goethe, junto con socios colaboradores, ha demostrado ahora experimentalmente que los átomos del ácido fórmico se salen continuamente de este plano a una escala mínima. Como resultado, la molécula no es plana la mayor parte del tiempo, sino tridimensional, con lo que pierde su simetría. El temblor de los átomos es un efecto de la física cuántica, según la cual las partículas nunca están en reposo.
Como la mano derecha y la izquierda: La vibración mecánica cuántica de punto cero -el "temblor" de los átomos- hace del ácido fórmico una molécula quiral cuyas dos formas, como la mano derecha y la izquierda, no pueden superponerse.
© Institut für Kernphysik, Goethe-Universität Frankfurt
Los manuales de química tradicionales presentan una imagen ordenada: Los átomos de las moléculas ocupan posiciones fijas, conectados por barras rígidas. Una molécula como el ácido fórmico (ácido metanoico, HCOOH) se imagina bidimensional, plana como una hoja de papel. Pero la física cuántica cuenta otra historia. En realidad, la naturaleza se resiste a la rigidez y fuerza incluso las estructuras más simples a la tercera dimensión.
Investigadores dirigidos por el profesor Reinhard Dörner, del Instituto de Física Nuclear de la Universidad Goethe, han determinado ahora la estructura espacial precisa de la molécula "plana" de ácido fórmico utilizando un haz de rayos X de la fuente de radiación sincrotrón PETRA III del centro acelerador DESY de Hamburgo. Colaboraron con colegas de las universidades de Kassel, Marburgo y Nevada, el Instituto Fritz Haber y el Instituto Max Planck de Física Nuclear.
Para ello, aprovecharon dos efectos que se producen cuando la radiación de rayos X incide sobre una molécula. En primer lugar, la radiación expulsa varios electrones de la molécula (efecto fotoeléctrico y efecto Auger). Como resultado, los átomos se cargan tanto que la molécula estalla en una explosión (explosión de Coulomb). Los científicos consiguieron medir estos procesos secuencialmente, aunque tienen lugar en femtosegundos, es decir, en millonésimas de milmillonésimas de segundo.
Para ello utilizaron un aparato inventado en la Universidad Goethe y perfeccionado continuamente desde entonces: El microscopio de reacción COLTRIMS. A partir de los datos medidos, pudieron calcular la geometría original de la molécula de ácido fórmico. El resultado: Los dos átomos de hidrógeno del ácido fórmico oscilan ligeramente hacia delante y hacia atrás, lo que significa que la molécula no es plana.
Reinhard Dörner lo explica: "En el mundo cuántico, los núcleos atómicos no son pequeñas esferas que permanecen fijas en su sitio. Son más bien nubes vibrantes. Incluso si enfriamos una molécula hasta el cero absoluto, este temblor -el llamado movimiento de punto cero- nunca se detiene".
La consecuencia es radical: Un núcleo atómico no tiene una ubicación exacta, sólo una probabilidad de encontrarse en un lugar determinado. En cierto sentido, está "un poco en todas partes". Como resultado, una molécula de ácido fórmico es efectivamente tridimensional en casi todo momento.
Dörner añade: Con este pequeño paso a la tercera dimensión, la molécula pierde su simetría y ya no puede superponerse a su imagen especular, como ocurre con nuestras manos izquierda y derecha". El ácido fórmico es quiral: tiene una forma zurda la mitad del tiempo y una forma diestra la otra mitad".
En química, dos de estas formas quirales -los llamados enantiómeros- pueden tener efectos completamente distintos: Mientras que una forma de una molécula puede actuar como medicamento, su imagen especular puede ser ineficaz. Normalmente, esta lateralidad surge de la estructura fija de una molécula.
Dörner concluye: "Como hemos podido demostrar con el ejemplo del ácido fórmico, el temblor cuántico por sí solo puede generar dos realidades especulares diferentes a partir de una molécula simétrica. Esto significa que la lateralidad -una importante propiedad de la vida- no surge aquí del plano estático de la molécula, sino únicamente del temblor incesante en el mundo cuántico. En términos más generales, nuestros hallazgos con el ácido fórmico demuestran que la geometría no es una propiedad estática, sino un hecho dinámico, y que una molécula plana es en realidad sólo el valor medio del temblor de sus átomos en todas direcciones."
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
D. Tsitsonis, M. Kircher, N. M. Novikovskiy, F. Trinter, J. B. Williams, K. Fehre, L. Kaiser, S. Eckart, O. Kreuz, A. Senftleben, Ph. V. Demekhin, R. Berger, T. Jahnke, M. S. Schöffler, R. Dörner; "Probing Instantaneous Single-Molecule Chirality in the Planar Ground State of Formic Acid"; Physical Review Letters, Volume 136, 2026-1-30
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