Investigadores del Instituto de Física de la Universidad Nicolaus Copernicus participaron en una investigación sobre las intensidades de las líneas armónicas. Los equipos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de los EE. UU. y el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) de Alemania también realizaron sus mediciones. Los cálculos teóricos fueron realizados por un grupo del University College London.

La investigación fue publicada en Physical Review Letters .

"Hasta ahora, no ha habido ningún caso en la literatura donde las intensidades de las líneas de armónicos moleculares medidas con diferentes técnicas y en diferentes laboratorios coincidan en un nivel promille entre sí y al mismo tiempo con los resultados de cálculos teóricos independientes", explica. Dra. Katarzyna Bielska del Departamento de Física Atómica, Molecular y Óptica de la Universidad Nicolaus Copernicus, la primera autora del artículo.

"Es importante destacar que estas mediciones precisas son extremadamente útiles siempre que queramos determinar espectroscópicamente el contenido de sustancias, por ejemplo, en estudios de la atmósfera de la Tierra, así como en el análisis de las atmósferas de otros cuerpos celestes. Además, las intensidades reconocidas con precisión de líneas armónicas se pueden utilizar con fines metrológicos, por ejemplo, para desarrollar estándares de temperatura o presión".

Candidato ideal:monóxido de carbono

Los investigadores de Toruń se dedican principalmente a la espectroscopia molecular y están interesados ​​en estudiar los espectros de las moléculas (el espectro de alta resolución de una molécula relativamente pequeña se compone de miles de las llamadas líneas armónicas), y en este caso se centraron especialmente sobre la medición de la intensidad de las líneas armónicas.

Los cuatro equipos abordaron el monóxido de carbono, que es particularmente apropiado para este tipo de investigación. Por un lado, es una molécula relativamente simple, pero desde el punto de vista de los cálculos de la mecánica cuántica, ya es compleja, por lo que es adecuada tanto para realizar las mediciones más precisas como para probar diversas teorías.

"El monóxido de carbono es 'amigable' desde un punto de vista experimental. Es ciertamente peligroso para nosotros, pero si sabemos cómo lidiar con él, podemos aprovechar al máximo las oportunidades que nos brinda para la investigación", dice el Dr. Bielska. "Tiene una estructura espectral bastante simple y también es menos propenso a complicaciones experimentales causadas por la adsorción y desorción de las paredes de la celda de muestra que el agua, por ejemplo".

Grupos de Polonia, Alemania, Estados Unidos y el Reino Unido estaban ansiosos por medir las intensidades de las líneas armónicas de monóxido de carbono con la mayor precisión posible y lograr la mayor consistencia posible en los resultados. La precisión en esta área es realmente crucial.

"Si conozco bien la intensidad de la línea armónica y luego mido esta línea en una muestra desconocida, puedo determinar cuál es el contenido de esta sustancia absorbente en esa muestra. Para decirlo aún más claramente:si mido la intensidad de la línea en mi muestra de monóxido de carbono, y luego tomo una medida, por ejemplo, en el aire de una habitación en particular, entonces puedo concluir a partir de esto que hay exactamente esa cantidad de monóxido de carbono en esa habitación", explica el Dr. Bielska. "Y es por eso que el monóxido de carbono, o más precisamente el conocimiento de las intensidades de sus líneas armónicas, es útil en aplicaciones atmosféricas".

Sin embargo, es importante recordar que cuando se trata de probar el contenido de monóxido de carbono de la atmósfera terrestre, la precisión necesaria de las mediciones está claramente definida por la Organización Meteorológica Mundial:las comparaciones de laboratorio del contenido de monóxido de carbono en una muestra no deben diferir en más de 2,5 prom.

"Este 2,5 promille ya es una precisión muy alta. Desafortunadamente, hasta ahora, al revisar la literatura científica sobre el tema, ha resultado que las intensidades de las mismas líneas determinadas en diferentes laboratorios o calculadas teóricamente por diferentes grupos de investigación pueden diferir por hasta un pequeño porcentaje, es decir, 10, 20 veces más que la precisión de Promille que esperamos", dice el Dr. Bielska.

Las moléculas de monóxido de carbono son importantes en el proceso de calentamiento global. Aunque hay muchos menos en la atmósfera que, por ejemplo, las moléculas de dióxido de carbono, tienen un mayor potencial de calentamiento global debido a las reacciones químicas en las que participan en la atmósfera, lo que afecta la vida útil de otras moléculas importantes:metano y ozono. Por lo tanto, los requisitos para la precisión de las mediciones espectroscópicas de monóxido de carbono, como las de otros importantes gases de efecto invernadero, están aumentando rápidamente.

Distintas rutas hacia la meta

Cada grupo eligió un método de medición diferente. Los físicos de la Universidad Nicolaus Copernicus se basaron en la dispersión de cavidad óptica (CMDS), ya que recientemente demostraron que conduce a resultados más precisos que las técnicas de absorción comúnmente utilizadas. Vale la pena mencionar que el método CMDS en sí fue desarrollado en el mismo grupo de Toruń. Los estadounidenses se centraron en la técnica CRDS (el llamado método de pérdida de cavidad, un método de absorción), que además se sometió a procedimientos de calibración no estándar para obtener resultados más precisos. Los alemanes, por otro lado, realizaron mediciones utilizando el método de espectroscopia de Fourier, una técnica muy utilizada, pero que también en este caso fue refinada utilizando procedimientos de calibración no estándar. Además, un grupo de teóricos de Londres realizó una gran cantidad de trabajo. Todos los equipos lograron una consistencia superior a 1 promille.

"La medición con diferentes técnicas tiene la gran ventaja de permitir una mejor verificación de si se ha producido algún error sistemático. Dichos errores ocurren y pueden, por ejemplo, hacer que todas las intensidades de las líneas de armónicos resulten un 2 por ciento demasiado altas", explica la Dra. Bielska. . "Diversas técnicas, diferentes laboratorios y mediciones realizadas de forma independiente reducen este riesgo. Además, los cálculos teóricos lo vinculan todo y lo confirman".

Fuerza en el acuerdo y la coherencia

“Aquí es donde radica el mayor logro de nuestro trabajo. No solo hemos demostrado que es posible lograr un acuerdo y una coherencia prometedores, sino que también hemos demostrado cómo hacerlo. Además, este enfoque también se puede aplicar a otros, más moléculas complejas. Es un gran desafío, tanto desde el punto de vista teórico como experimental, pero se puede abordar", añade la Dra. Bielska.

El documento conjunto y las colaboraciones anteriores entre laboratorios son solo el comienzo. Al "consorcio" informal ya se están uniendo equipos de científicos de diferentes universidades, instituciones de investigación y metrología:quieren continuar los esfuerzos iniciados y realizar mediciones simultáneas de las intensidades de las líneas armónicas de otras moléculas. Todo con el objetivo de lograr los resultados más precisos y proporcionar los datos de referencia necesarios para la investigación atmosférica, la metrología, la investigación básica y muchas otras áreas de la ciencia moderna. + Explora más

Los investigadores utilizan el método de dopaje con flúor para construir catalizadores con un rendimiento mejorado