Se trata de una avance que le da sustento teórico y experimental a esta área reciente de la ciencia. “Estos resultados son necesarios en este campo emergente porque proporcionan una corroboración importante de observaciones anteriores que se volvieron controvertidas, tras varios informes de intentos fallidos”, señala la revista científica al presentar el descubrimiento.
Controlar las reacciones químicas de las moléculas para generar nuevos productos es uno de los grandes retos que siguen ocupando la atención de las y los científicos. Los avances en esa línea serán claves en la industria para reducir los desperdicios que se generan cuando se fabrican materiales para la construcción, la industria automotriz o de electrodomésticos, así como en la producción de catalizadores que se usan para acelerar o retardar reacciones químicas.
Durante diez años, este ha sido uno de los objetivos de un campo nuevo de la ciencia llamado química de polaritones. Esta especialidad utiliza herramientas de física cuántica y química con la finalidad de modificar el comportamiento de las moléculas, mediante experimentos en los que las hacen interactuar con campos electromagnéticos dentro de cavidades ópticas. En estos resonadores minúsculos que atrapan la luz entre dos espejos, las moléculas son llevadas al vacío electromagnético, que es un estado cuántico en el cual estas mantienen la menor energía posible, y donde ocurre un extraño proceso que se conoce como “túnel cuántico” en el que las partículas subatómicas desaparecen y reaparecen de forma continua, como si se volvieran fantasmas.
Sin resultados consistentes a la fecha, y tras experimentos realizados en diferentes laboratorios del mundo que obtenían mediciones que contradecían los resultados obtenidos por otros grupos de investigación, esta área de la ciencia empezó a ganar algunos detractores en el mundo científico. La misma revista Science señala en ese sentido que: “Desgraciadamente, la “química de polaritones” carece aún de una serie de demostraciones convincentes”.
Demostrar que el fenómeno era posible
Con el desafío de crear un mecanismo teórico que permitiera describir cómo se producen reacciones químicas en moléculas orgánicas de uretano, un grupo chileno liderado por el investigador Felipe Herrera, del Instituto Milenio de Investigación en Óptica (MIRO), y académico de la Universidad de Santiago, comenzó a trabajar junto a un equipo del Laboratorio de Investigación Naval de Estados Unidos, liderado por el investigador Blake Simpkins.
El objetivo era desarrollar experimentos que tuvieran una explicación teórica que les permitiera obtener los mismos resultados de manera consistente, para modificar de manera selectiva los enlaces que unen las moléculas usando luz infrarroja dentro de cavidades ópticas, y en condiciones de temperatura ambiente.
Los primeros experimentos fueron realizados en 2020 por la entonces investigadora posdoctoral del Laboratorio de Investigación Naval de Estados Unidos, la Dra. Wonmi Ahn. En 2021 Blake Simpkins preparó nuevas muestras para asegurarse de que las mediciones eran reproducibles y mejoró las celdas líquidas donde se producen las reacciones químicas. A mediados de ese año, el investigador Felipe Herrera comenzó a tener reuniones periódicas con Simpkins para indagar respuestas teóricas que dieran sustento a los resultados que se obtenían, y que eran distintos a los resultados obtenidos por un grupo de la Universidad de Estrasburgo, donde se reportaron los primeros resultados en 2015.
Así se materializó la publicación “Modificación de la reactividad química en estado fundamental por medio de coherencia radiación-materia en cavidades infrarrojas”, liderada por Simpkins (US Naval Research Laboratory) y Herrera (MIRO, Universidad de Santiago), con la participación de la investigadora Wonmi Ahn, (Universidad de Bilkent), el investigador Johan Triana y el estudiante de doctorado Felipe Recabal, quienes pertenecen al grupo de Tecnología Cuántica Molecular de la USACH.
El estudio acaba de ser publicado en Science, una de las revistas de mayor impacto en el mundo de la ciencia y que acepta solo el 6% de los trabajos que recibe. “Estos resultados son necesarios en este campo emergente porque proporcionan una corroboración importante de observaciones anteriores que se volvieron controvertidas, tras varios informes de intentos fallidos”, señala la nota de Yury Suleymanov, que presenta esta investigación en la revista.
Sobre el aporte específico de esta publicación, el investigador posdoctoral de MIRO, en la Usach, Dr. Johan Triana explica: “El aporte experimental de este estudio es la confirmación de la modificación de las tasas de reacción por medio de la interacción con el vacío del campo electromagnético confinado dentro de la cavidad, usando una reacción química bastante estudiada y con cambios más significativos que los encontrados con otro tipo de reacciones. En la parte teórica, el aporte se centra en que, al modificar la dinámica de los enlaces químicos que participan mayoritariamente en la reacción, a través de la radiación infrarroja, es posible controlar los productos”.
Crear una nueva teoría
¿Por qué esto no se había logrado antes? Cuando se producen reacciones químicas los enlaces que unen los diferentes átomos que componen una molécula se rompen y se reordenan, formando nuevas sustancias a las cuales se les conoce como productos. Para que este proceso ocurra es necesario aplicar energía y existen diversos principios fisicoquímicos que desde fines del siglo XIX le han servido a las y los científicos para entender cómo se generan estas transferencias de energía según las leyes de la termodinámica.
También existen principios de reactividad basados en las estructuras de las moléculas que se usan en todas las áreas de la química. En estos se asume que cada reacción entre dos moléculas es independiente de las demás reacciones que puedan estar ocurriendo en la misma solución química.
“Eso es muy válido en casi todas las situaciones que se han estudiado en ochenta años y más, pero el vacío electromagnético crea correlaciones entre las distintas reacciones químicas, y esas correlaciones formadas por el campo electromagnético hacen que los supuestos tradicionales de reactividad química no se cumplan de la misma forma. Nosotros optamos por partir de cero y construir una teoría que tome todos los aspectos físicos de la óptica cuántica en consideración, pero que bajo condiciones específicas se reduce a la teoría de reactividad estándar de la química teórica”, explica Herrera, quien es Dr. en Química de la Universidad de British Columbia y quien se especializó luego en física, química, óptica e información cuántica mientras era investigador posdoctoral en la Universidad de Harvard.
Con este trabajo se abren nuevas posibilidades y desafíos para esta naciente área de la ciencia, ya que, según explica Herrera “necesitamos desarrollar un marco teórico y matemático lo suficientemente simple y general para que cualquier investigador del mundo pueda interpretar sus experimentos y ojalá diseñar nuevos tipos de mediciones que nadie ha visionado aún”. En ese sentido, Herrera menciona una de sus ambiciones como científico que transita entre la física y la química: “sería bonito para nosotros ser los primeros en el mundo en construir esta clase de teoría que una dos de las disciplinas más exitosas de la ciencia moderna: la reactividad química y la física cuántica”.
Si quieres comprender mejor qué son los polaritones, te invitamos a ver este video: