Un récord mundial: se ha logrado por primera vez una reacción química a solo 500 milmillonésimas de kelvin del cero absoluto. Se ha podido así echar un vistazo a productos intermedios que, si no, resultan imperceptibles.

La nebulosa del Boomerang está a un solo kelvin de temperatura. Se ha llevado a cabo una reacción química a una temperatura dos millones de veces menor [ESA/NASA].
Cabe imaginar una reacción química, simplificadamente, como un corte transversal en un paisaje montañoso. Las sustancias iniciales y los productos finales se encuentran, desde un punto de vista energético, en los valles de menor energía a ambos lados de las montañas; en medio hay al menos una cumbre. Si se quiere que proceda una reacción, primero tiene que haber enegía suficiente para sobrepasar la barrera montañosa. O dicho con términos químicos: para que las moléculas resultantes constituyan un producto final se han de romper muchos enlaces entre átomos y formarse nuevos enlaces; mientras, otros han de cambiar de sitio o de ángulo entre sí. Y para ello hace falta energía.

Más complejo es todo cuando la reacción no solo ha da superar una montaña energética, sino muchas, pues entonces hay forzosamente en medio más valles. Para los químicos es especialmente emocionante: si se puede observar cómo van cambiando las moléculas durante la reacción, se observará en cada uno de los valles un producto intermedio. Los productos intermedios solo son estables durante un tiempo breve y se parecen al producto más que las sustancias iniciales. Observar una reacción mientras se está produciendo es en muchos casos muy difícil; los enlaces químicos se pueden romper y formar de nuevo en cosa de femtosegundos (milbillonésimas de segundo). A menudo, un producto intermedio reacciona de nuevo tan deprisa para convertirse en producto final que los métodos tradicionales de análisis, como la cristalografía de rayos X o la espectrometría con fuentes ordinarias de luz, resultan demasiado lentos.

Para poder seguir también reacciones muy rápidas hay actualmente varias posibilidades. La más conocida es la femtoquímica, que por medio de pulsos ultracortos de láser toma instantáneas de lo que pasa durante una reacción. Esta disciplina, que le valió a sus creadores el premio Nobel de 1999, ha ayudado en los últimos treinta años a conocer las vías de reacción de muchas transformaciones químicas, entre ellas algunas de gran importancia industrial.

En tiempos recientes ha aparecido un nuevo método para poner con mayor precisión las reacciones bajo la lupa: la química ultrafría. Aprovecha que las reacciones vayan más despacio cuando más baja es la temperatura del entorno. El grupo de investigadores de Kang-Kuen Ni, de la Universidad de Harvard, ha utilizado por primera vez este truco de la cámara lenta para sacar a luz el producto intermedio de una reacción. Investigaron la descomposición de las moléculas de potasio-rubidio (KRb) en K2 y Rb2. Unas simulaciones por ordenador habían predicho que durante esa reacción se forman  moléculas de K2Rb2 antes de que se creen los productos finales. Este producto intermedio efímero no es visible con la duración normal de la reacción, unos femtosegundos. Ni y su grupo idearon la forma de echar un vistazo alargando su vida hasta unos tres microsegundos. Seguirá pareciendo un lapso muy corto, pero es mil millones de veces más largo; es como la diferencia entre un segundo y 30 años.

Para frenar tanto la reacción tuvieron que enfriar enormemente las partículas de KRb, hasta casi el mínimo absoluto de temperatura, el cero kelvin, es decir, unos -273,15 grados. Como explican en Science, enfriaron la sustancia inicial a 500 nanokelvin. Con ello, la reacción fue la más fría que se haya producido. Incluso las nubes moleculares del medio interestelar más frías son del orden de un millón de veces más calientes.

Por otra parte, las reacciones química necesitan al menos un poco de calor ambiente para sobrepasar las cumbres aunque sea a paso de tortuga. Con temperaturas del orden de unos cientos de nanokelvin, los movimientos de los reactivos son tan lentos que apenas si reaccionan entre sí. ¿Cómo lograron Ni y sus colaboradores que se produjese la reacción pese al frío extremo? Ahí es donde interviene la mecánica cuántica. En vez de escalar las cumbres energéticas y rodar hasta el valle del otro lado, las moléculas pueden también atravesar la cordillera por un túnel. La probabilidad de que lleguen a hacerlo depende de la altura de la montaña.

Desde hace ya diez años, los científicos, entre ellos el grupo de Ni, han logrado alzar o abatir a voluntad la barrera de reacción en la descomposición del KRb en Ky Rb2. Para ello, modifican los estados mecanocuánticos de las sustancias iniciales. Un estado así comprende parámetros como el espín y el momento angular. Primero, se desexcitaron con la ayuda de láseres especiales todos los grados de libertad de movimiento de las moléculas, es decir, los llevaron a su estado fundamental. En él, las partículas no pueden moverse en el espacio ni en la forma de vibraciones o rotaciones de sus enlaces atómicos. No pueden, por lo tanto, almacenar energía en forma alguna de movimiento, están sumamente frías y no pueden chocar y reaccionar de la manera acostumbrada. En este estado, los científicos han conseguido modificar también las características de espín. Con ese afinamiento pueden influir en si se produce mucho producto final o poco. Si todas las moléculas poseen el mismo estado de espín, durante casi un segundo no hacen ningún producto. Si los estados de espín están más mezclados, las moléculas reaccionan entre diez y cien veces más deprisa. Otros investigadores han usado la química ultrafría para crear especies químicas completamente nuevas, como el BaOCa+.

Con tales manipulaciones mecanocuánticas, el grupo de Ni ha logrado ahora caracterizar tanto los productos intermedios como los finales de una reacción extremadamente fría. Produjeron primero la sustancia inicial de la reacción, KRb, a partir de átomos de potasio y de rubidio. Por lo normal, no reaccionan entre sí; hay que aplicarles un campo magnético. Como las moléculas de KRb que se forman de ese modo se encuentran en un estado vibracional (es decir, ambos átomos se apartan y acercan entre sí a lo largo de su enlace) y por lo tanto son poco estables, los investigadores procedieron a llevarlas mediante pulsos de láser oportunos para ello a su estado fundamental (en el cual no pueden tener ese comportamiento). Se sujetan las partículas de KRb con unas pinzas ópticas y se las pone en el foco de un haz de láser.

Además, el equipo irradió las moléculas de KRb con pulsos láser ultravioletas. Esa energía era suficiente para poner en marcha la descomposición en K2 y Rb2. Al mismo tiempo, el aporte de energía hacía que el producto intermedio K2Rb2 existiese en un estado excitado, lo que se señala en la notación química con un asterisco: K2Rb2*.

Para detectar ese complejo intermedio y las sustancias inicial y final, los químicos añadieron un espectrómetro de masas especial a su aparato ultrafrío, que representaba la distribución de velocidades de las especies formadas. De esta manera pudieron identificar las sustancias iniciales, intermedias y finales.

El estudio de Ni y sus colaboradores es un primer paso en la investigación del mundo aún inexplorado de la química ultrafría. Con su aparato que enfría sustancias casi hasta el cero absoluto, se pueden estudiar muchas más cuestiones. Ming-Guang Hu, investigador posdoctoral del grupo de Ni y primer autor del artículo, propone, en un paso siguiente, intervenir en una reacción química. Se podría, por ejemplo, hacer que reaccionen entre sí moléculas en un estado excitado o que choquen partículas sueltas y observar el efecto. De ese modo se podrá descifar de nuevo el influjo de la mecánica cuántica en reacciones químicas a temperaturas sumamente bajas.

Anna Clemens

Referencia: «Direct observation of bimolecular reactions of ultracold KRb molecules», de M.-G. Hu et al., en Science29 de noviembre de 2019: vol. 366, núm. 6469, págs. 1111-1115; puede leerse la prepublicación en arXiv:1907.13628 [physics.atom-ph].

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