Tabla periódica para moléculas.

Los científicos del Instituto Tecnológico de Tokio (Tokyo Tech) desarrollan tablas similares a la tabla periódica de elementos pero para moléculas. Su enfoque podría utilizarse para predecir nuevas sustancias estables y crear materiales útiles.

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Tabla periódica de varias moléculas tetraédrica

La tabla periódica de elementos fue propuesta en 1869, y después se convirtió en una de las piedras angulares de las ciencias naturales. Esta tabla fue diseñada para contener todos los elementos (átomos) que se encuentran en la naturaleza en una disposición especial que los agrupa en filas y columnas de acuerdo con una de sus características más importantes, el número de electrones. Los científicos han utilizado la tabla periódica durante décadas para predecir las características de los elementos entonces desconocidos, que se añadieron a la tabla con el tiempo.

¿Podría haber una tabla periódica para las moléculas? Aunque algunos investigadores han pensado en esta posibilidad y han propuesto reglas periódicas para predecir la existencia de ciertas moléculas, estas predicciones eran válidas sólo para grupos de átomos con una simetría cuasiesférica, debido a las limitaciones de su propia teoría. Sin embargo, hay muchos grupos de átomos con otras formas y otros tipos de simetrías que deberían tenerse en cuenta con un modelo mejor. Así, un equipo de investigación del Tokyo Tech, incluyendo al Dr. Takamasa Tsukamoto, el Dr. Naoki Haruta, el Prof. Kimihisa Yamamoto y sus colegas, propuso un nuevo enfoque para construir una tabla periódica para moléculas con múltiples tipos de simetrías.

Fig. 1 | Nature Communications

Su enfoque se basa en una observación aguda sobre el comportamiento de los electrones de valencia de los átomos que forman grupos moleculares. Los electrones de valencia pueden considerarse como electrones “libres” en los átomos con una órbita externa, y por lo tanto pueden interactuar con los electrones de otros átomos para formar compuestos. Cuando múltiples átomos forman un cúmulo con una forma simétrica, sus electrones de valencia tienden a ocupar determinadas órbitas moleculares llamadas “superórbitas atómicas”, en las que se comportan casi exactamente como si fueran los electrones de un átomo enorme.

Al considerar este hecho y analizar los efectos de las simetrías estructurales para los cúmulos (Fig. 1), los investigadores propusieron “modelos orbitales adaptados a la simetría (SAO)”, que están de acuerdo con múltiples moléculas conocidas, así como con cálculos cuánticos-mecánicos de última generación. Las nuevas tablas periódicas, que se crearían para cada tipo de simetría, serían en realidad cuatridimensionales, como se muestra en la Fig. 2, porque las moléculas estarían dispuestas según cuatro parámetros: grupos y períodos (basados en sus electrones de “valencia”, similares a la tabla periódica normal), especies (basados en los elementos constitutivos), y familias (basados en el número de átomos).

El enfoque de SAO es muy prometedor en el campo del diseño de materiales. “Las modernas técnicas de síntesis nos permiten producir muchos materiales innovadores basados en el modelo SAO, como los materiales magnéticos ligeros”, afirma el profesor Yamamoto. El camino a seguir para los científicos consiste en ampliar aún más estas tablas a clusters moleculares con otras formas y simetrías y predecir moléculas estables que aún no se han desarrollado. “Entre las infinitas combinaciones de elementos constitutivos, la tabla periódica propuesta será una contribución significativa al descubrimiento de nuevos materiales funcionales”, concluye el profesor Yamamoto.

Reacciones químicas a escala atómico-molecular

Investigadores de la Universidad de Oxford, la Universidad de Salamanca y la Universidad Complutense de Madrid han publicado un artículo en Nature Chemistry que supone dar un paso más hacia un control de las reacciones químicas a escala atómico-molecular, donde rigen las reglas de la mecánica cuántica.

Side-impact collisions of Ar with NO | Nature Chemistry

“Side-impact collisions of Ar with NO”. Cornelia G. Heid, Victoria Walpole, Mark Brouard, Pablo G. Jambrina & F. Javier Aoiz. Nature chemistry (2019). https://doi.org/10.1038/s41557-019-0272-3

Los británicos han conseguido realizar un complicado experimento por medio de láseres en el que un átomo de argón (Ar) impacta en una molécula de óxido nítrico (NO) y los españoles han realizado los cálculos computaciones que lo explican.
“Hemos trabajado de forma independiente pero simultánea”, explica Pablo García Jambrina, investigador del Departamento de Química Física de la Universidad de Salamanca. En el experimento, los investigadores consiguen orientar la molécula de NO por medio de campos eléctricos y disparan contra ella un átomo de argón gracias al láser.

El objetivo es comprobar cuál es el resultado de la colisión, ver en qué dirección sale disparada la molécula, y cómo depende de la forma en la que el NO está orientado. “Es como tener un bolígrafo y lanzar una canica, el resultado del impacto dependerá de muchos factores, por ejemplo, de cómo esté orientado el boli”, comenta.

“Ellos han conseguido detectar lo que ocurre al final del experimento, mientras que nosotros lo hemos podido reproducir por medio de cálculos y todo coincide, se trata de predecir cosas muy específicas, por ejemplo, por qué lado de la molécula va a atacar el átomo”, señala.

Aunque se trata de ciencia básica y su objetivo es aumentar el conocimiento, esta investigación puede contribuir a mejorar el control químico. “Si quiero que se produzca una reacción química y que dé lugar a unos determinados productos, hasta ahora nos limitamos a poner en contacto dos elementos, pero es difícil controlar todo lo que sucede”, indica Pablo García Jambrina.

Onda y partícula a la vez en el mundo cuántico

En este sentido, la materia a escala de los átomos y las moléculas no se comporta igual que a escalas mayores, por eso se distingue la física cuántica de la física clásica. “El comportamiento es diferente porque a escala cuántica una partícula puede ser también una onda”, indica el investigador. De hecho, puede haber reacciones inesperadas y el objetivo de los científicos es tratar de predecirlas.

Pablo García Jambrina

 

Este científico zamorano realizó el trabajo, publicado en la revista Nature Chemistry, cuando trabajaba en la Universidad Complutense de Madrid, pero hace menos de un año se incorporó a la Universidad de Salamanca  para desarrollar un nuevo proyecto gracias al Programa de Atracción del Talento Científico del Ayuntamiento de Salamanca.

Aunque sigue estudiando reacciones químicas a escala atómica, ahora lo hace en sistemas biológicos, lo que puede tener aplicación en el diseño de fármacos. “Es muy importante conocer cómo se comportan las proteínas, saber qué reacciones se producen y no actuar a ciegas si queremos actuar sobre un proceso”, asegura.


Fuente: AgenciaSINC. Foto: salamanca24horas

Medir el tiempo que tarda el electrón en abandonar el átomo.

Photoionization in the time and frequency domain
BY M. ISINGER, R.J. SQUIBB, D. BUSTO, S. ZHONG, A. HARTH, D. KROON, S. NANDI, C. L. ARNOLD, M. MIRANDA, J. M. DAHLSTRÖM, E. LINDROTH, R. FEIFEL, M. GISSELBRECHT, A. L’HUILLIER
PUBLISHED ONLINE 02 NOV 2017. DOI: 10.1126/science.aao7043

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Un grupo de investigadores de la Universidad de Lund ha medido con precisión el tiempo que tarda el electrón en abandonar el átomo y es de 0,000 000 000 000 000 02 segundos, o 20 milmillonésimas de una milmillonésima de segundo.

Ésta es la mejor medición que tenemos ahora del tiempo que tarda un electrón en emitirse desde un átomo.

El cronómetro de los investigadores consiste en pulsos de láser extremadamente cortos. La medición se ha realizado en un átomo de neón. Como explica Marcus Isinger, estudiante de doctorado en la Universidad de Lund en Suecia:

Cuando la luz golpea al átomo, los electrones absorben la energía de la luz. Un instante después, los electrones se liberan de los poderes vinculantes del átomo. Este fenómeno, llamado fotoionización, es uno de los procesos más fundamentales de la física y fue descrito teóricamente por Albert Einstein, quien fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1921 por este descubrimiento en particular.

Esta interacción es fundamental para la fotosíntesis y la vida en la Tierra, y permite a los investigadores estudiar átomos.

Cuando los átomos y las moléculas experimentan reacciones químicas, los electrones son los que hacen el trabajo pesado. Se reagrupan y se mueven para permitir que se creen o destruyan nuevos enlaces entre las moléculas. Seguir ese proceso en tiempo real es un “santo grial dentro de la ciencia”. Ahora nos hemos acercado un paso más.