El túnel cuántico se manifiesta en una reacción química

Científicos alemanes han observado por primera vez el efecto túnel cuántico en una reacción química, toda una proeza tecnológica conseguida después de 15 de años de investigación que impulsará desarrollos en campos como la electrónica y la astrofísica.

Se llama túnel cuántico a una característica propia de las partículas elementales: les permite atravesar un túnel, aunque exista una pared insalvable atravesada en su interior.

Los físicos han usado la mecánica cuántica para extraer energía de la nada

Cuando atraviesa el túnel cuántico, una partícula, como un protón o un electrón, es capaz de convertirse en onda y de traspasar una barrera infranqueable como si fuera una onda de sonido. Una vez al otro lado de la barrera, recupera su identidad de partícula y sigue su trayectoria hasta salir del túnel.

Tanto la fotosíntesis, como la fusión nuclear en el Sol o la electrónica actual, se basan en esta paradoja del mundo cuántico.

Incluso los péptidos, cadenas cortas de aminoácidos (las moléculas que forman las proteínas), pueden formarse en el polvo cósmico gracias a los túneles cuánticos, según una reciente investigación de la que informamos en otro artículo. Esos túneles podrían haber traído la vida la Tierra.

Túnel cuántico químico

Una nueva investigación ha comprobado ahora que el efecto túnel cuántico permite que se produzcan reacciones químicas por debajo del umbral de energía que realmente se requiere.

Eso significa que los efectos cuánticos desempeñan un papel importante en las reacciones químicas, destacan los investigadores: han podido observar por primera vez cómo se forman moléculas a través de túneles cuánticos.

Para comprender mejor el alcance de la nueva investigación hay que tener en cuenta que la tunelización cuántica se explica mejor en términos de energía: indica que las partículas elementales pueden atravesar una barrera a pesar de que no tienen suficiente energía como para derribarla. Un punto importante a tener en cuenta es que los túneles cuánticos conservan energía.

Observación indirecta

La formación de túneles cuánticos, que se observó por primera vez en 1927, no puede ser predicha por ningún sistema clásico, pero se ha observado indirectamente en reacciones químicas que no pueden explicarse sin el efecto túnel.

En el universo químico la formación de túneles cuánticos siempre ha estado presente, pero oculta debajo de la reactividad térmica. Se desarrolla a bajas temperaturas y luego puede afectar significativamente a la reactividad y a la selectividad de una reacción química.

El control del efecto túnel de las reacciones químicas constituye, junto al control cinético y termodinámico, el tercer paradigma de la reactividad química.

Observación directa

Es en este contexto en el que se sitúa la nueva investigación: físicos dirigidos por Roland Wester, de la Universidad de Innsbruck, han observado directamente, por primera vez, una reacción de túnel mecánico cuántico en experimentos químicos, según se explica en un comunicado.

Este desarrollo es importante porque las reacciones de efecto túnel en química son muy difíciles de predecir. La descripción mecánica cuántica exacta de las reacciones químicas con más de tres partículas es difícil, con más de cuatro partículas es casi imposible. Predecir la tunelización oculta en las reacciones químicas más complejas es un desafío que hasta ahora no había sido superado.

En 2018, los físicos teóricos calcularon que en un sistema químico el túnel cuántico ocurre solo en una de cada cien mil millones de colisiones. ¿Cómo podríamos observar al menos una de ellas?

Era verdad

Eso es lo que han conseguido los físicos de Innsbruck después de 15 años de investigación: introdujeron deuterio, un isótopo de hidrógeno, en una trampa de iones y luego lo enfriaron para que perdiera energía y no pudiera ejercer reacción alguna con el hidrógeno.

Pero, contra toda lógica, la reacción se produjo por el efecto túnel cuántico y los investigadores pudieron comprobarlo con sus propios ojos. Incluso han elaborado un modelo teórico para el efecto túnel en una reacción química que establece con qué frecuencia ocurren estas reacciones.

Este resultado ha desatado el entusiasmo entre los científicos, porque otras reacciones químicas podrían explotar también el efecto túnel: ahora se pueden desarrollar modelos teóricos más simples para otras reacciones químicas y probarlos en la reacción que ahora se ha demostrado con éxito.

Impacto tecnológico

Los investigadores consideran que el impacto tecnológico de su desarrollo será amplio porque el efecto túnel se utiliza, por ejemplo, en el microscopio de efecto túnel que toma imágenes de superficies a nivel atómico.

También se utiliza en las memorias flash que se emplean para el almacenamiento y el traslado de datos, una tecnología que está presente en tarjetas, dispositivos USB, cámaras digitales, reproductores MP3 y otros elementos tecnológicos.

El efecto túnel también se utiliza para explicar la descomposición alfa, una variante de desintegración radiactiva de los núcleos atómicos.

Con el efecto túnel también se pueden explicar algunas síntesis astroquímicas de moléculas en las nubes oscuras interestelares, plantean también los investigadores.

Todo este universo de posibilidades se potencia con el experimento del equipo de la Universidad de Innsbruck, que sienta las bases para una mejor comprensión de muchas reacciones químicas presentes en nuestras vidas y en campos de investigación tan interesantes como la astrofísica, concluyen los investigadores.

Referencias

Tunnelling measured in a very slow ion–molecule reaction. Robert Wild et al. Nature (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-023-05727-z

Quantum Mechanical Tunneling Is Essential to Understanding Chemical Reactivity. Peter R. Schreiner. Trends in Chemistry, 2020. DOI:https://doi.org/10.1016/j.trechm.2020.08.006