En moléculas, hay ciertos grupos de átomos que pueden rotar. Este movimiento se produce bajo la influencia de estímulos aleatorios del entorno, y no es continuo, pero ocurre en saltos. Generalmente se cree que tales saltos ocurren de una manera típica de los objetos clásicos, como una paleta de ventilador pinchada con un dedo. Los químicos de los institutos de la Academia Polaca de Ciencias en Varsovia tienen, sin embargo, rotaciones observadas que siguen las reglas no intuitivas del mundo cuántico. Resulta que en las condiciones adecuadas, Las rotaciones cuánticas pueden imitar muy bien la normalidad, rotación clásica.

El profesor Slawomir Szymanski del Instituto de Química Orgánica de la Academia de Ciencias de Polonia (IOC PAS) en Varsovia está seguro de que fenómenos mucho más exóticos y no intuitivos de naturaleza cuántica son responsables de algunos de los efectos observados en las moléculas. Durante años, ha estado desarrollando un modelo cuántico de las rotaciones de salto de grupos enteros de átomos en moléculas. El trabajo teórico del Prof.Szymanski acaba de encontrar una nueva confirmación en los experimentos llevados a cabo en el Instituto de Química Física del PAS (IPC PAS) por un grupo dirigido por el Dr. Piotr Bernatowicz, y descrito en el Revista de física química .

"En Quimica, La mecánica cuántica se utiliza casi exclusivamente para describir el movimiento de pequeños electrones. Núcleos atómicos, incluso aquellos tan simples como el núcleo de un solo protón de hidrógeno, se consideran demasiado grandes y masivos para estar sujetos a efectos cuánticos. En nuestro trabajo, Demostramos que esta visión conveniente pero muy simplista debe finalmente comenzar a cambiar, al menos en relación con determinadas situaciones, "dice el profesor Szymanski.

El modelo de rotación cuántica del profesor Szymanski describe la rotación de grupos atómicos compuestos por elementos idénticos, p.ej. átomos de hidrógeno. La última publicación, completado en cooperación con el grupo del Dr. Bernatowicz, se refiere a los grupos metilo del CH3. En su estructura, estos grupos recuerdan a pequeñas hélices. Hay tres átomos de hidrógeno alrededor del átomo de carbono espaciados a intervalos iguales. Se sabe desde hace mucho tiempo que los grupos metilo conectados por un átomo de carbono a las moléculas pueden realizar saltos rotacionales. Todos los átomos de hidrógeno pueden girar simultáneamente 120 grados alrededor del carbono. Estas rotaciones siempre se han tratado como un fenómeno clásico en el que las 'bolas' de hidrógeno simplemente saltan a los 'pozos' adyacentes que acaban de ser desocupados por sus vecinos.

"Usando resonancia magnética nuclear, Realizamos mediciones difíciles pero precisas en polvos de monocristales de trifeniletano, un compuesto de moléculas que contienen cada una un grupo metilo. Los resultados no dejan lugar a dudas. Las formas de las curvas que registramos los llamados espectros de resonancia de polvo, solo puede explicarse asumiendo que los fenómenos cuánticos son responsables de las rotaciones de los grupos metilo, "dice el Dr. Bernatowicz.

Las mediciones de la rotación de los grupos metilo por resonancia magnética nuclear requirieron un control preciso de la temperatura de las sustancias en polvo. Esto se debe a que la naturaleza cuántica de la rotación solo se vuelve claramente visible en un rango de temperatura estrecho. Cuando la temperatura es demasiado baja, la rotación se detiene, y cuando es demasiado alto, las rotaciones cuánticas se vuelven indistinguibles de las clásicas. Las temperaturas de los experimentos en el IPC PAS, en el que la naturaleza cuántica de las rotaciones era claramente visible, osciló entre 99 y 111 Kelvin.

De esta investigación surge una nueva imagen de la realidad química. El grupo CH3 de la molécula ya no es un simple rotor compuesto por un núcleo de carbono y tres átomos de hidrógeno unidos rígidamente. Su naturaleza real es diferente:ningún átomo de hidrógeno ocupa una posición separada en el espacio. Y lo que es más, cada uno de ellos se mezcla continuamente de manera cuántica con los otros dos. En las condiciones adecuadas, el grupo metilo, aunque construido de muchos átomos, resulta ser un soltero, entidad cuántica coherente que no se parece a ningún objeto conocido del mundo cotidiano.

Se puede construir una descripción del movimiento de rotador atómico clásico usando una constante que mida la frecuencia promedio de sus saltos. Resulta que en el modelo cuántico, debe haber dos de estas constantes y dependen de la temperatura. Cuando sube la temperatura, ambas constantes adquieren un valor similar y las rotaciones del grupo metilo comienzan a parecerse a las rotaciones clásicas.

"En nuestras medidas, Realmente observamos la transformación gradual de las rotaciones cuánticas de los grupos metilo en rotaciones difíciles de distinguir de las clásicas. Este efecto debe entenderse adecuadamente. Los fenómenos cuánticos no dejaron de funcionar, pero en cierto modo imitaba los saltos clásicos, "explica el Dr. Bernatowicz.

Los científicos del IPC PAS y del IOC PAS ya habían confirmado la exactitud del modelo de rotación cuántica en experimentos con grupos metilo (entre otros en moléculas de dimetil tripticeno, donde estos efectos fueron acompañados de cambios dinámicos en la red cristalina). Sin embargo, predicciones relativas a las rotaciones de una estructura atómica mucho más compleja, el anillo de benceno C6H6, aguardar la verificación experimental.

"Nuestra investigación es de carácter básico, y es difícil hablar aquí de inmediato sobre aplicaciones específicas, "señala el profesor Szymanski, agregando, "Vale la pena enfatizar, sin embargo, que los efectos cuánticos se consideran extremadamente sensibles al medio ambiente. Los químicos y físicos asumen que en entornos muy densos, son destruidos por los movimientos térmicos del entorno. Observamos efectos cuánticos a temperaturas relativamente altas, además en ambientes condensados:líquidos y cristales. Por lo tanto, los resultados que obtenemos deberían ser una advertencia para los químicos o físicos a quienes les gustan las interpretaciones demasiado simplificadas ".

La imitación de la física clásica por fenómenos cuánticos, además en un ambiente denso y relativamente cálido, es un efecto sorprendente que debería llamar la atención de, entre otros, los constructores de nanomáquinas. Al diseñar dispositivos moleculares más pequeños, pueden pasar sin saberlo del mundo de la física clásica al mundo de los fenómenos cuánticos. Bajo nuevas condiciones, el funcionamiento de las nanomáquinas podría dejar de ser predecible de repente.