En los últimos años, la Química ha dejado de ser una disciplina puramente experimental gracias al desarrollo de métodos teóricos que han permitido a los investigadores caracterizar el comportamiento y la dinámica de las reacciones, de manera que estos resultados puedan ser extrapolados a otros campos científicos.
En concreto, la Química Computacional ha sido capaz de dar respuesta a muchos interrogantes sobre la estructura electrónica y el movimiento nuclear que se da en las reacciones químicas, así como de reproducir y predecir de manera teórica los resultados que se obtienen en experimentos especializados basados en el uso de láseres y haces moleculares.
Si bien es cierto que las explicaciones teóricas en el campo de las reacciones químicas simples –aquellos procesos por los cuales los reactivos químicos que se mueven sobre una superficie de energía potencial se convierten en productos– están bastante avanzadas; el tratamiento teórico de las reacciones en las que intervienen varios radicales –especies que incluyen electrones que no están emparentados- es más complicado.
Pese a esta dificultad, la prestigiosa revista científica Nature Communications ha publicado el pasado mes de noviembre un artículo sobre el novedoso método computacional desarrollado por varios investigadores de la Universidad Complutense de Madrid, de Oxford y por Jesús Aldegunde, profesor del departamento de Química Física de la Universidad de Salamanca, y coordinado por Javier Aoiz, catedrático de la UCM. Tras varios años de trabajo conjunto, estos investigadores han logrado reproducir por primera vez la distribución experimental de los estados internos del radical de oxígeno y deuterio OD(²P), formado en la reacción química O(³P)+D?, gracias al estudio individual de cada una de las colisiones que se dan en esa reacción química y a la relación entre esa distribución y el mecanismo desencadenante de la reacción.
Para entender esta novedosa explicación teórica, es necesario conocer el proceso que tiene lugar cuando entran en juego varios radicales químicos en una reacción. Como aclaró el propio Jesús Aldegunde, el investigador de la USAL que ha participado en este estudio, a diferencia de lo que ocurría en las reacciones simples, en este tipo de reacciones los núcleos de estos radicales se van moviendo simultáneamente en varias superficies de energía potencial, y los valores rotacionales de los productos surgidos en la reacción se desdoblan en dos niveles o pares denominados Dobletes-Λ, caracterizados por poseer energías ligeramente distintas.
“Esta pequeña diferencia o separación de energía entre estos Dobletes-Λ, que resulta esencial para las aplicaciones de las reacciones en el campo de los láseres microondas o en la Astroquímica, complica significativamente el tratamiento teórico de este tipo de experimentos”, señaló el profesor Aldegunde.
Hasta ahora, ningún estudio había logrado justificar teóricamente las propensiones experimentales hacia uno de los miembros de estos dobletes, es decir, no se había podido explicar por qué la población de uno de estos dobletes no era exactamente homogénea a la distribución del otro, pero el artículo publicado en Nature Communications revela la particularidad del modelo teórico explicativo desarrollado por las Universidades de Salamanca, Oxford y la Complutense de Madrid. El equipo en el que participa Jesús Aldegunde ha conseguido predecir las poblaciones de estados en estos dobletes gracias a que, por primera vez, han tenido en cuenta el mecanismo de reacción que se activaba en cada una de las superficies de energía que conviven en el proceso, en este caso, dos. “Los núcleos de los reactivos no se desplazan igual en cada una de las superficies de energía”, según Aldegunde, por lo que, “a través de la consideración explícita de esta diferencia de movimiento y su mecanismo de reacción, hemos logrado predecir de manera teórica la población relativa de los Dobletes-Λ”.
Para llegar a esta conclusión, los investigadores implicados en el proyecto observaron que mientras que en una de las superficies de energía implicadas en el proceso estudiado, la reacción química sigue un único mecanismo reactivo, en la otra superficie se activa un mecanismo adicional que genera que la reacción salga del plano molecular, lo que provoca que en esta última superficie del Doblete- Λ, la población sea mayor.
Método pionero a nivel internacional
A nivel internacional, en los últimos años se han sucedido los intentos para establecer cálculos teóricos que explicasen este particular comportamiento, pero ninguno de ellos obtuvo el éxito de la investigación en la que participa la Universidad de Salamanca. Aldegunde achaca el acierto del estudio en el que participa a que “por primera vez se ha tenido en cuenta el factor que asocia el mecanismo de reacción a la diferencia de población entre los Dobletes-Λ resultantes de esa reacción. Además, en vez de estudiar macroscópicamente las reacciones químicas, nos hemos centrado en el estudio de las colisiones individuales y, a partir del análisis de sus propiedades, hemos logrado deducir las propiedades de las reacciones químicas macroscópicas, siempre en fase gas, ya que así resulta más fácil controlar los parámetros de colisión”.
Por otra parte, el profesor de la USAL considera que otra dificultad que han podido encontrarse otros investigadores del campo de la química computacional es que “no hay demasiadas medidas experimentales, y sin ese soporte práctico es imposible realizar avances teóricos”. En este sentido, ha señalado que la realización de la investigación publicada en Nature Communications ha sido posible gracias a las medidas experimentales tan precisas realizadas hace algunos años por un grupo de investigadores de Edimburgo, que han servido de base a este estudio teórico.
Aplicaciones de la investigación
“Hemos resuelto uno de los pocos problemas que aún no tenían solución en el campo de la dinámica de las reacciones triatómicas, parte de la ciencia que se encarga de la explicación teórica de las colisiones átomo – diátomo”, subrayó el profesor Aldegunde. Y es que, pese a que el método presentado sea bastante teórico, ha supuesto un importante avance en este ámbito, en tanto que podrá servir para predecir las poblaciones de estados en otros procesos químicos que impliquen también a radicales que se muevan en distintas superficies de energía potencial; aunque la dificultad de las explicaciones, así como de la toma de medidas experimentales, crecerá de manera proporcional al número de átomos o reactivos implicados en los procesos.
Además de su aplicación teórica en el campo de la dinámica de las reacciones, la investigación que publica Nature Communications tendrá, predeciblemente, una gran utilidad en campos como la Astroquímica, que reclama continuamente coeficientes de velocidad y poblaciones de estados de la materia que ayuden a determinar los estudios sobre la transferencia de masa en el espacio. “La investigación que hemos realizado previsiblemente ayudará a comprender el funcionamiento de las reacciones químicas que se dan en el vacío o las nubes estelares, ya que el espacio está repleto de radicales, y predecir su comportamiento resulta esencial en los estudios astroquímicos”, señaló Jesús Aldegunde.
