Una molécula de amoniaco, NUEVA HAMPSHIRE ₃ , normalmente existe en forma de paraguas, con tres átomos de hidrógeno desplegados en una disposición no plana alrededor de un átomo de nitrógeno central. Esta estructura de paraguas es muy estable y normalmente se esperaría que requiriera una gran cantidad de energía para ser invertida.

Sin embargo, un fenómeno de la mecánica cuántica llamado tunelización permite que el amoníaco y otras moléculas habiten simultáneamente en estructuras geométricas que están separadas por una barrera de energía prohibitivamente alta. Un equipo de químicos que incluye a Robert Field, el profesor Robert T. Haslam y Bradley Dewey de química en el MIT, ha examinado este fenómeno mediante el uso de un campo eléctrico muy grande para suprimir la ocupación simultánea de moléculas de amoníaco en los estados normal e invertido.

"Es un hermoso ejemplo del fenómeno de los túneles, y revela una maravillosa extrañeza de la mecánica cuántica, "dice Field, quien es uno de los autores principales del estudio.

Heon Kang, profesor de química en la Universidad Nacional de Seúl, también es un autor principal del estudio, que aparece esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . Youngwook Park y Hani Kang de la Universidad Nacional de Seúl también son autores del artículo.

Suprimir la inversión

Los experimentos realizado en la Universidad Nacional de Seúl, fueron habilitados por el nuevo método de los investigadores para aplicar un campo eléctrico muy grande (hasta 200, 000, 000 voltios por metro) a una muestra intercalada entre dos electrodos. Este conjunto tiene solo unos pocos cientos de nanómetros de espesor, y el campo eléctrico que se le aplica genera fuerzas casi tan fuertes como las interacciones entre moléculas adyacentes.

"Podemos aplicar estos enormes campos, que son casi de la misma magnitud que los campos que experimentan dos moléculas cuando se acercan, ", Dice Field." Eso significa que estamos usando un medio externo para operar en igualdad de condiciones con lo que las moléculas pueden hacer por sí mismas ".

Esto permitió a los investigadores explorar los túneles cuánticos, un fenómeno que se utiliza a menudo en los cursos de química de pregrado para demostrar uno de los "fantasmas" de la mecánica cuántica, Field dice.

Como analogía, imagina que estás de excursión en un valle. Para llegar al próximo valle necesitas escalar una gran montaña, que requiere mucho trabajo. Ahora, imagina que puedes hacer un túnel a través de la montaña para llegar al siguiente valle, sin ningún esfuerzo real requerido. Esto es lo que permite la mecánica cuántica, bajo ciertas condiciones. De hecho, si los dos valles tienen exactamente la misma forma, estarías ubicado simultáneamente en ambos valles.

En el caso del amoniaco, el primer valle es el de baja energía, Estado paraguas estable. Para que la molécula alcance el otro valle, el estado invertido, que tiene exactamente la misma baja energía; clásicamente, necesitaría ascender a un estado de muy alta energía. Sin embargo, cuántica mecánicamente, la molécula aislada existe con igual probabilidad en ambos valles.

Bajo la mecánica cuántica, los posibles estados de una molécula, como el amoniaco, se describen en términos de un patrón de nivel de energía característico. La molécula existe inicialmente en la estructura normal o invertida, pero puede hacer un túnel espontáneamente hacia la otra estructura. La cantidad de tiempo necesaria para que se produzca ese túnel se codifica en el patrón de nivel de energía. Si la barrera entre las dos estructuras es alta, el tiempo de tunelización es largo. Bajo ciertas circunstancias, como la aplicación de un fuerte campo eléctrico, Se pueden suprimir los túneles entre las estructuras regulares e invertidas.

Para amoniaco, la exposición a un campo eléctrico fuerte reduce la energía de una estructura y aumenta la energía de la otra estructura (invertida). Como resultado, todas las moléculas de amoníaco se pueden encontrar en el estado de menor energía. Los investigadores demostraron esto mediante la creación de una estructura en capas de argón-amoníaco-argón a 10 kelvins. El argón es un gas inerte sólido a 10 K, pero las moléculas de amoniaco pueden rotar libremente en el sólido de argón. A medida que aumenta el campo eléctrico, los estados de energía de las moléculas de amoníaco cambian de tal manera que las probabilidades de encontrar las moléculas en los estados normal e invertido se alejan cada vez más, y los túneles ya no pueden ocurrir.

Este efecto es completamente reversible y no destructivo:a medida que disminuye el campo eléctrico, las moléculas de amoniaco vuelven a su estado normal de forma simultánea en ambos pozos.

Bajando las barreras

Para muchas moléculas, la barrera para la construcción de túneles es tan alta que la construcción de túneles nunca sucedería durante la vida útil del universo, Field dice. Sin embargo, hay otras moléculas además del amoníaco que pueden inducirse a hacer un túnel mediante el ajuste cuidadoso del campo eléctrico aplicado. Sus colegas ahora están trabajando en la explotación de este enfoque con algunas de esas moléculas.

"El amoníaco es especial debido a su alta simetría y al hecho de que probablemente sea el primer ejemplo que alguien discutiría desde el punto de vista químico de la construcción de túneles. "Field dice". Sin embargo, hay muchos ejemplos en los que esto podría aprovecharse. El campo eléctrico porque es tan grande, es capaz de actuar en la misma escala que las interacciones químicas reales, "que ofrece una forma poderosa de manipular externamente la dinámica molecular.