La investigación publicada en Physical Review Letters revela un nuevo mecanismo que podría facilitar procesos químicos clave para la producción de hidrógeno y la captura de dióxido de carbono.
Un equipo de investigadores liderado por el académico de la Universidad de Santiago e investigador del Instituto Milenio de Investigación en Óptica (MIRO), Felipe Herrera, identificó un fenómeno cuántico que permite romper enlaces químicos utilizando mucha menos energía de la que normalmente se requiere.
El hallazgo publicado en Physical Review Letters bajo el nombre Enhancing Infrared-Laser Dissociation of Molecules with the Electromagnetic Vacuum, demuestra que, usando un método con luz infrarroja, las fluctuaciones naturales presentes en el vacío electromagnético pueden favorecer la ruptura de moléculas cuando éstas se encuentran confinadas en estructuras nanométricas especiales llamadas nano cavidades.
Aunque solemos pensar en el vacío como un espacio completamente vacío, la física cuántica muestra que en realidad está lleno de pequeñas fluctuaciones de energía. Los investigadores descubrieron que estas fluctuaciones pueden amplificarse dentro de una nano cavidad y alterar las vibraciones de las moléculas, facilitando que un láser infrarrojo rompa sus enlaces químicos.
“Demostramos que bajo condiciones de confinamiento electrodinámico de una molécula dentro de una nano cavidad se modifican las vibraciones moleculares de manera tal que es mucho más fácil romper enlaces químicos, debido a la interacción de las moléculas con las fluctuaciones del vacío”, explica Felipe Herrera.
Aplicaciones para la industria
El trabajo aporta nueva información sobre cómo ocurren las reacciones químicas en ambientes extremadamente pequeños donde la luz y la materia interactúan de manera intensa. Hasta ahora, numerosos grupos de investigación en el mundo han desarrollado nano cavidades para aplicaciones fotónicas, pero se conocía poco sobre el comportamiento químico de las moléculas dentro de estos sistemas.
“En este trabajo demostramos por primera vez cómo efectos puramente cuánticos como las fluctuaciones del vacío electromagnéticos pueden ser explotados para estimular significativamente la reactividad de moléculas pequeñas de amplio interés en química, como lo son, por ejemplo, reacciones de captura electroquímica de dióxido de carbono o electrólisis de agua para formar hidrógeno”, agrega Herrera.
Esto es clave para la industria, pues podría aumentar la eficiencia de reacciones químicas conocidas, y de esta forma hacer más sustentables los procesos que generan desechos tóxicos.
Metodología
El estudio fue teórico y requirió cerca de dos años y medio de trabajo. Para desarrollar la investigación, el equipo utilizó simulaciones computacionales ejecutadas en los servidores del grupo de Tecnología Cuántica Molecular, que lidera Felipe Herrera, y en computadores de la Universidad Católica del Norte, casa de estudios del académico Johan Triana.
Los cálculos se realizaron mediante herramientas especializadas de modelamiento molecular y física cuántica, permitiendo recrear virtualmente el comportamiento de las moléculas dentro de nano cavidades y así analizar cómo interactúan con la luz infrarroja.
Felipe Herrera lideró el desarrollo conceptual de la investigación y el análisis de los resultados, mientras que el investigador Johan Triana encabezó el trabajo numérico y participó activamente en la interpretación de los hallazgos.
Los resultados contribuyen a una mejor comprensión de cómo fenómenos cuánticos fundamentales pueden utilizarse para influir en procesos químicos, un área emergente con potencial para futuras aplicaciones en energía, química y nanotecnología.