Investigadores del Instituto Shanghai Jiao Tong han conseguido capturar imágenes en tiempo real de electrones rompiendo enlaces químicos en moléculas, un avance que representa un hito en la comprensión de la química a nivel cuántico. Este proceso, que ocurre en escalas de tiempo extremadamente cortas, es fundamental para entender cómo funcionan las reacciones químicas.
Los enlaces químicos son las fuerzas que mantienen unidos a los átomos, y su ruptura se produce en femtosegundos, es decir, en millonésimas de milmillones de segundo. Para poner esto en perspectiva, la luz tarda unos attosegundos en atravesar unos pocos átomos, lo que resalta la rapidez de estos fenómenos. Hasta ahora, la comunidad científica había dependido de modelos teóricos para visualizar estos procesos, pero la nueva técnica desarrollada por el equipo liderado por Dao Xiang ha cambiado esta realidad.
Una técnica revolucionaria
La técnica empleada se conoce como difracción electrónica ultrarrápida (UED). En este experimento, un pulso láser de 200 nm excita las moléculas de amoniaco (NH3), lo que las hace más susceptibles a cambios en su estructura química. Este proceso desencadena un movimiento estructural en la molécula, abriéndose como un paraguas y provocando la ruptura de uno de sus enlaces.
Tras esta excitación, los investigadores envían un pulso de electrones de alta energía a través de las moléculas excitadas. La forma en que estos electrones se dispersan al interactuar con los campos eléctricos generados por los núcleos atómicos y los electrones de la molécula permite «congelar» la posición de las partículas en un instante preciso.
Observando la dinámica cuántica
Lo verdaderamente innovador de este estudio es la capacidad de analizar los patrones de dispersión mediante una técnica llamada función de distribución de pares de carga (CPDF). Esto ha permitido a los científicos separar y visualizar, por primera vez, tres tipos de dinámicas simultáneas: las interacciones entre electrones, entre núcleos y entre electrones y núcleos. En otras palabras, los investigadores pueden observar cómo cambia la densidad electrónica y cómo responden los núcleos en tiempo real.
Según Dao Xiang, este avance tiene implicaciones significativas para el desarrollo de la física fundamental, la ciencia de materiales y la química aplicada. «Estos experimentos proporcionan una nueva perspectiva sobre el movimiento del electrón de valencia y del hidrógeno al romperse el enlace, algo que hasta ahora solo se podía describir con cálculos o modelos teóricos», explica en una entrevista.
La posibilidad de visualizar estos procesos en tiempo real abre nuevas vías para entender por qué ciertos productos se forman en las reacciones químicas y otros no. Este tipo de imágenes facilita el diseño de catalizadores más eficientes, la creación de materiales con propiedades controladas a nivel cuántico, y mejora la predicción de rutas en síntesis química. Además, estos avances podrían tener aplicaciones en áreas como la agricultura, la energía y la farmacología.
El artículo completo de este estudio ha sido publicado en arXiv, lo que marca un paso significativo en el campo de la química cuántica, permitiendo a los científicos observar lo que ocurre «en el horno» de las reacciones químicas.
