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La reacción más fría hasta ahora


En temperaturas millones de veces más frías que el espacio interestelar, los investigadores han realizado la reacción más fría en el universo conocido. Pero eso no es todo. En un frío tan intenso, sus moléculas se desaceleraron a velocidades tan glaciales que podían ver algo que nadie había podido ver antes: el momento en que dos moléculas se unen para formar dos nuevas moléculas. En esencia, capturaron una reacción química en su acto más crítico y evasivo.




"Probablemente en los próximos años, seremos el único laboratorio que puede hacer esto", dijo Ming-Guang Hu, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Ni y primer autor en su artículo publicado hoy en Science. Hace cinco años, Ni, el profesor asociado de química y biología química Morris Kahn y pionero de la química ultrafría, se propuso construir un nuevo aparato que pudiera lograr las reacciones químicas a la temperatura más baja de cualquier tecnología disponible actualmente. Pero no podían estar seguros de que su intrincada ingeniería funcionaría.

Ahora, no solo realizaron la reacción más fría, sino que descubrieron que su nuevo aparato puede hacer algo incluso que no predijeron. En un frío tan intenso (500 nanokelvin o solo unas pocas millonésimas de grado por encima del cero absoluto), sus moléculas se redujeron a velocidades tan glaciales, Ni y su equipo pudieron ver algo que nadie había podido ver antes: el momento en que dos moléculas reunirse para formar dos nuevas moléculas. En esencia, capturaron una reacción química en su acto más crítico y evasivo.

Las reacciones químicas son responsables de literalmente todo: respirar, cocinar, digerir, crear energía, productos farmacéuticos y productos para el hogar como el jabón. Entonces, comprender cómo funcionan en un nivel fundamental podría ayudar a los investigadores a diseñar combinaciones que el mundo nunca haya visto. Con un número casi infinito de nuevas combinaciones posibles, estas nuevas moléculas podrían tener un sinfín de aplicaciones, desde una producción de energía más eficiente hasta nuevos materiales como paredes a prueba de moho e incluso mejores bloques de construcción para computadoras cuánticas.

En su trabajo anterior, Ni usó temperaturas cada vez más frías para hacer esta magia química: forjar moléculas de átomos que de otra manera nunca reaccionarían. Enfriados a tales extremos, los átomos y las moléculas se reducen lentamente a un rastreo cuántico, su estado de energía más bajo posible. Allí, Ni puede manipular las interacciones moleculares con la máxima precisión. Pero incluso ella solo podía ver el comienzo de sus reacciones: entran dos moléculas, ¿pero entonces qué? Lo que sucedió en el medio y al final fue un agujero negro que solo las teorías podrían tratar de explicar.

Las reacciones químicas ocurren en solo millonésimas de billonésima de segundo, mejor conocido en el mundo científico como femtosegundos. Incluso la tecnología más sofisticada de hoy no puede capturar algo tan efímero, aunque algunos se acercan. En los últimos veinte años, los científicos han utilizado láseres ultrarrápidos como cámaras de acción rápida, capturando imágenes rápidas de reacciones a medida que ocurren. Pero no pueden capturar la imagen completa. "La mayoría de las veces", dijo Ni, "solo ves que los reactivos desaparecen y los productos aparecen en un momento que puedes medir. No hubo una medición directa de lo que realmente sucedió en estas reacciones químicas". Hasta ahora.

Las temperaturas extremadamente frías del Ni fuerzan las reacciones a una velocidad relativamente insensible. "Debido a que [las moléculas] están tan frías", dijo Ni, "ahora tenemos un efecto de cuello de botella". Cuando ella y su equipo reaccionaron con dos moléculas de rubidio y potasio, elegidas por su flexibilidad, las temperaturas ultrafrías obligaron a las moléculas a permanecer en la etapa intermedia durante microsegundos. Los microsegundos, meras millonésimas de segundo, pueden parecer cortos, pero son millones de veces más largos de lo habitual y lo suficientemente largos como para que Ni y su equipo investiguen la fase en que los enlaces se rompen y forman, en esencia, cómo una molécula se convierte en otra.

Con esta visión íntima, Ni dijo que ella y su equipo pueden probar teorías que predicen lo que sucede en el agujero negro de una reacción para confirmar si acertaron. Luego, su equipo puede elaborar nuevas teorías, utilizando datos reales para predecir con mayor precisión lo que sucede durante otras reacciones químicas, incluso aquellas que tienen lugar en el misterioso reino cuántico.

El equipo ya está explorando qué más pueden aprender en su banco de pruebas ultrafría. Luego, por ejemplo, podrían manipular los reactivos, excitándolos antes de reaccionar para ver cómo su energía aumentada impacta el resultado. O incluso podrían influir en la reacción a medida que ocurre, empujando una molécula u otra. "Con nuestra capacidad de control, esta ventana de tiempo es lo suficientemente larga, podemos investigar", dijo Hu. "Ahora, con este aparato, podemos pensar en esto. Sin esta técnica, sin este documento, ni siquiera podemos pensar en esto".

Fuente y enlace a la investigación: M.-G. Hu, Y. Liu, D. D. Grimes, Y.-W. Lin, A. H. Gheorghe, R. Vexiau, N. Bouloufa-Maafa, O. Dulieu, T. Rosenband, K.-K. Ni. Observación directa de reacciones bimoleculares de moléculas de KRb ultrafrías. Science, 2019

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