La prestigiosa revista estadounidense especializada en Física, Physical Review Letters (PRL) de la American Physical Society (APS) publicará a fines de este mes un relevante descubrimiento en esta área del académico del Departamento de Física de nuestra Casa de Estudios, Dr. Felipe Herrera, junto a su colega norteamericano, Dr. Francis C. Spano, académico de la Universidad de Temple de Filadelfia.

El artículo publicado (“Cavity-controlled chemistry in molecular ensembles”) destacará los importantes avances de los investigadores respecto al control de reacciones químicas usando óptica cuántica. El Dr. Felipe Herrera explica que, en términos simples, “comprobamos que esas reacciones o transferencias de electrones se pueden acelerar o reducir”.

Gráficamente, el modelo consiste en una cavidad óptica rodeada por dos espejos que evitan que la luz los traspase, “por tanto, la cantidad de energía es la mínima que puede existir en un campo electromagnético. Es decir, hay cero o una unidad de energía lumínica, que también se llama fotón”, aclara el Dr. Herrera.

En una primera etapa, el investigador recuerda que se preguntaron junto a su colega “qué efectos tiene la cavidad óptica en las reacciones químicas o transferencias de electrones, es decir, si las aumentan, las suprimen o en realidad no ocurre nada”.

En ese contexto, el investigador recalca que finalmente “encontramos un mecanismo por el cual esa cavidad óptica, que es cuántica, porque existen unidades de energía discretas, puede acelerar dramáticamente la reacción y transferencia de electrones en moléculas”.

Ejemplo de reacciones químicas

Para explicarlo más sencillamente, el Dr. Herrera ejemplifica que las transferencias de electrones ocurren incluso en nuestro propio cuerpo.

“Por ejemplo, el ciclo electroquímico que transforma en nuestro cuerpo el oxígeno en moléculas que generan energía o proteínas, son reacciones químicas o transferencia de electrones, desde un ‘donor’ a un ‘aceptor’”, subraya.

Agrega que “también sucede en las plantas donde la fotosíntesis convierte la energía del sol en energía química. Ese proceso es transferencia electrónica”.

Asimismo, el científico destaca que las reacciones de transferencia electrónica son muy relevantes en todas las áreas de la ciencia como la biología o la química. “Otros ejemplos son las baterías y las celdas solares, que también funcionan a base reacciones transformando energía química en eléctrica”, enfatiza, acotando que “con este tipo de sistema se podrán hacer nuevas celdas solares”.

Idea básica

Respecto al detalle del descubrimiento teórico, el Dr. Herrera detalla que en el proceso, al principio “hay dos jugadores, el electrón que se va a transferir y la vibración de las moléculas, que de cierta manera influyen cómo este electrón se va a transferir de un lugar a otro. Si vibra demasiado el electrón se va a perturbar, por tanto, la transferencia va a ser poco eficiente”.

En esa línea, el académico precisa que “cuando se agrega otro factor que es la cavidad óptica, hay un tercer jugador que es el fotón o partícula de campo electromagnético cuantizado, y ese fotón entra ahora a interaccionar con el electrón dentro de la cavidad óptica”.

“Y lo que descubrimos fue que la luz cuantizada hace un juego en que el electrón se convierte en un fotón y el fotón se vuelve a convertir en electrón, y viceversa. Ese juego solo ocurre dentro de la cavidad y hace que el electrón deje de interaccionar con la vibración, eliminando o bloqueando las vibraciones”, enfatiza.

En relación a qué material dentro de la cavidad óptica acelera o reduce la transferencia de electrones, el Dr. Herrera comenta que han experimentado con materiales orgánicos o moléculas orgánicas -como las que conforman nuestro cuerpo- aunque aclara que “ese material orgánico también puede ser una proteína como ya lo han experimentado otros investigadores que han ocupado como base nuestro descubrimiento”.

Physical Review Letters

En cuanto a la publicación del descubrimiento, primero en la versión online de Physical Review Letters, y a fines de junio en el impreso, el Dr. Herrera subraya que “es un gran honor dada la dificultad de recibir tal reconocimiento de esta prestigiosa revista”.

La investigación fue concluida recién en diciembre pasado y no solo la revista se interesó en el artículo, de hecho, destacó, “el descubrimiento es hasta ahora la base de al menos cuatro estudios”, además, precisa, que han sido invitados a varias conferencias para detallar aspectos de la investigación.

Cabe destacar que la revista Physical Review Letters es la más prestigiosa en el campo de la física. Un ejemplo de ello fue la publicación en exclusiva en febrero de este año del descubrimiento de un grupo de científicos del observatorio LIGO, en Louisiana, Estados Unidos, de las “ondas gravitacionales”.