Química Teórica: investigadores están llegando a la frontera del conocimiento

Con gran expectativa sobre los resultados del trabajo realizado dentro del área de la Química Teórica o Física Molecular, un selecto grupo de científicos de todo el mundo recibió la presentación de una teoría/metodología, desarrollada desde hace más de ocho años por investigadores del Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica (IMIT) (UNNE-Conicet Argentina).

Especialistas en Química Teórica, congregados en el 59º Sanibel Symposium, organizado por la Universidad de Florida (USA), siguieron con interés la descripción de una herramienta teórica que permite predecir y analizar propiedades electromagnéticas (denominadas de respuesta) en átomos y moléculas. Esta teoría es muy precisa y permite predecir fenómenos que nunca antes fueron mencionados a nivel mundial.

El doctor Gustavo Aucar –único investigador superior del Conicet en el NEA, docente del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura de la UNNE y director del IMIT–estuvo a cargo de la presentación del trabajo, al que describe como un desarrollo teórico que permite avanzar en la descripción de fenómenos que amplían la frontera del conocimiento.

El equipo de investigadores del IMIT obtuvo lo que se conoce como “propagadores de polarización relativistas”, expresados a partir de “integrales de camino”, uno de los lenguajes en los que se expresa la física cuántica.

Los investigadores desarrollaron una teoría que permite entender mejor algunos fenómenos físico-químicos, que no son perceptibles a simple vista y, por ende, son difíciles de comprender según nuestros esquemas mentales usuales.
Algo de esto explica lo expresado por algunos de los expertos que asistieron al Simposio realizado en la Universidad de Florida, que ubicaron al trabajo de los científicos del IMIT en la “frontera del conocimiento”, es decir, un lugar de avanzada y en donde están dándose los primeros pasos.

Entrelazamiento cuántico

Existen tres lenguajes utilizados para describir la física cuántica. Se trata de los formulados por Erwin Schrödinger; Werner Karl Heisenberg y Richard Feynman. Todos expresan lo mismo, pero de manera diferente.

El entrelazamiento es un fenómeno cuántico, sin equivalente clásico, en el cual los estados cuánticos de dos o más objetos se deben describir mediante un estado único que involucra a todos los objetos del sistema, aun cuando los objetos estén separados espacialmente. Esto lleva a correlaciones entre las propiedades físicas observables.

Para el desarrollo de la teoría y la metodología buscada, Aucar y su equipo hicieron uso del lenguaje de Feynman y lo utilizaron para derivar unas propiedades de respuesta novedosas en átomos y moléculas, que están muy vinculadas con el “entrelazamiento cuántico”.

El entrelazamiento cuántico es una de las propiedades más “extrañas” de la física cuántica y que expresa, en términos prácticos, lo siguiente: si se efectúa una observación o una medición en un lugar dado del universo, la experiencia puede afectar a lo observado en otro lugar del universo de manera instantánea, aunque no se sepa. Es uno de los conceptos que sustentan la computación cuántica.

“Hasta el momento, esta propiedad era explicada con un formalismo que permitía describir ese entrelazamiento con fenómenos relacionados con la función de onda (entrelazamiento entre estados electrónicos, por ejemplo), pero no a algo relacionado con propiedades de respuesta como el acoplamiento entre espines nucleares, o la medida de cuánto influye un campo magnético sobre un sistema. El nuevo tipo de entrelazamiento, nunca antes propuesto, explicaría cómo se transmite la información a nivel intramolecular” explicó Aucar.

El entrelazamiento cuántico entre los electrones del átomo de hierro central en el grupo hemo de la mioglobina es clave para su unión preferente con una molécula de oxígeno, en lugar de con una molécula de monóxido de carbono.

El gran hallazgo de los investigadores es haber encontrado, luego de ocho años de trabajo, una expresión que puede adaptarse para evaluar la probabilidad, por ejemplo, de que las excitaciones debidas a dos espines nucleares dentro de una misma molécula estén entrelazadas y eso explique lo que luego se mide mediante alguna espectroscopía particular.

Dicho de una manera más práctica, no existía, hasta el momento, ni metodología ni herramientas físico-matemáticas que permitieran explicar y evaluar el entrelazamiento entre espines nucleares dentro de una molécula, y los investigadores locales lo hallaron.

Un “espin” es una propiedad intrínseca de algunos núcleos atómicos o de partículas elementales como el electrón. Otras propiedades intrínsecas son la carga y la masa. Están allí con ellos y uno puede usar de ellas para saber más de sus propiedades. El hecho de que algunos núcleos atómicos posean espín no nulo hace que estos puedan reaccionar de modos predecibles cuando se los somete a los campos magnéticos externos.

En la práctica, es la existencia de espines nucleares en moléculas de agua lo que hace que uno pueda observar las imágenes de resonancia con las que se evalúan los estados de sustancias blandas del cuerpo humano.

Otro logro adicional

Un modelo derivado de la teoría antes mencionada permitió, además, desarrollar descripciones matemáticas que introducen efectos de electrodinámica cuántica al estudio de la resonancia magnética nuclear.

La resonancia magnética nuclear (RMN) es un fenómeno físico basado en las propiedades mecánico-cuánticas de los núcleos atómicos.

Los núcleos magnéticamente activos, como 1H (protio) y 31P, podían absorber energía de Radio Frecuencia cuando eran colocados en un campo magnético de una potencia específica y así lograban identificar los núcleos. Diferentes núcleos atómicos dentro de una molécula resuenan a diferentes frecuencias de radio para la misma fuerza de campo magnético. La observación de tales frecuencias resonantes magnéticas de los núcleos presentes en una molécula permite al usuario entrenado descubrir información química, estructural, espacial y dinámica acerca de las moléculas.

La resonancia magnética nuclear es así una espectroscopía lisa y llana. Al interactuar la materia con la radiación se obtienen espectros que permiten describir tipos de moléculas que lo conforman o reacciones intramoleculares que se producen, como así también una serie de fenómenos que se generan en el interior de la materia y no son perceptibles a simple vista.

Hasta el momento no se había podido introducir la electrodinámica cuántica a esos estudios, y con la metodología alcanzada se logró.

Futura Aplicación

La pregunta del millón es qué aplicación práctica tienen estos desarrollos teóricos. La respuesta de Aucar es clara: “Básicamente, hablamos de nuevos conocimientos, que permiten entender algunos fenómenos antes no descriptos en forma adecuada y que pueden tener una aplicación concreta o no en el corto plazo, pero la tendrán seguro en el futuro”.

De todas maneras, formulaciones de este tipo podrían servir para el desarrollo de interruptores cuánticos de motores a escala nanométrica, es decir, nanotecnológicos. Otra aplicación podría darse en la computación cuántica, con la aclaración pertinente de que las implementaciones actuales en esa área corresponden a planteos teóricos matemáticos formulados hace más de 40 años.

Pero Aucar, al hablar de implementación práctica de teorías, prefiere ajustarse a lo que esgrime el físico Juan Roederer, una figura legendaria de la ciencia argentina y precursor del modelo de universidad científica, referente en la década del ‘60 en toda la región. “Si queremos saber por qué ocurren las cosas en el mundo geofísico, tenemos que ignorar las fronteras humanas. Probablemente, esta fue la razón que me impulsó a pasar de la ciencia experimental a la teórica”.

Juan Monzón Gramajo

FUENTE:

http://argentinainvestiga.edu.ar/noticia.php?titulo=quimica_teorica_investigadores_llegan_a_la_frontera_del_conocimiento&id=3636

 

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