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Biomedicina

Demuestran que las partículas cuánticas idénticas influyen en los procesos químicos

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Hasta ahora se creía que estas dos ramas de la ciencia no guardaban ninguna relación. Pero una investigación revela, por primera vez, que este fenómeno cuántico tiene implicaciones en procesos como la catálisis.

  • por Emerging Technology From The Arxiv | traducido por Patricia R. Guevara
  • 23 Agosto, 2017

¿Imaginas tener dos objetos y no poder diferenciarlos, ni siquiera por su posición? Esta es una de las extrañas características de la mecánica cuántica, una rama de la física en la que se produce el fenómeno de indistinguibilidad: dos partículas cuánticas pueden ser imposibles de distinguir, incluso en principio. En parte, esto sucede porque es inviable determinar la posición exacta en la que se encuentran estas partículas, así que cuando dos interactúan en el mismo lugar, no hay forma de saber cuál es cuál.

Esto da lugar a comportamientos exóticos, especialmente a bajas temperaturas, cuando una gran cantidad de partículas pueden comportarse de la misma manera. La indistinguibilidad está llena de fenómenos misteriosos: en los fotones, permite la existencia de los láseres; en los núcleos de helio-4 a bajas temperaturas, lleva a la superfluidez; y en otros núcleos como el rubidio, se obtiene el condensado de Bose-Einstein. 

Pero hay otras partículas cuánticas que no pueden ser indistinguibles. Por ejemplo, los electrones tiene prohibido compartir el mismo estado por el Principio de Exclusión de Pauli. Las interacciones entre electrones gobernadas por este principio conducen a un tipo diferente de física, igualmente rica en exotismo: la química. 

Durante mucho tiempo, el mundo de la química y el de la física indistinguible se consideraban independientes y separados. Por un lado, la indistinguibilidad generalmente ocurre a bajas temperaturas, mientras que, por otro, la química requiere temperaturas relativamente altas, donde los objetos tienden a perder sus propiedades cuánticas. Como resultado de esta diferenciación, durante años, los químicos han estado seguros de que debían ignorar los efectos de la indistinguibilidad cuántica.

Pero los investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara (EEUU) Matthew Fisher y Leo Radzihovsky dicen que esto no está del todo claro. Los investigadores han demostrado, por primera vez, que la indistinguibilidad cuántica desempeña un papel clave en algunos procesos químicos, incluso a temperaturas ordinarias. También dicen que esta influencia conduciría a un fenómeno químico completamente nuevo, como la separación de isótopos, y que podría también explicar misteriosos fenómenos, como la actividad química de las especies reactivas de oxígeno.

En resumen, Fisher y Radzihovsky están haciendo que su pensamiento se vuelva químico. La pregunta clave detrás de esta nueva idea es: ¿pueden ignorarse las propiedades cuánticas en la mayoría de las reacciones químicas? Fisher y Radzihovsky sostienen que, aunque se puede generalizar que eso es cierto en altas temperaturas ya que las propiedades cuánticas se pierden, ciertos fenómenos cuánticos sí perduran.

En particular, señalan a la coherencia cuántica de los núcleos atómicos: desde hace años, los físicos han pensado que los espines de los núcleos pueden actuar de manera lógica en escalas de tiempo de minutos u horas. De hecho, explotan este fenómeno en una amplia gama de experimentos de computación cuántica que se basan en espines nucleares con el objetivo de almacenar información cuántica.

Es fácil pensar que los espines nucleares no tienen un efecto significativo la interacción de los electrones en las reacciones químicas. Pero, según Fisher y Radzihovsky, esto no es así. Los espines nucleares pueden acoplarse fácilmente a otros estados físicos, como cuando una molécula vibra. Cuando esto ocurre, las propiedades de la indistinguibilidad (que normalmente se limitan a los núcleos) se escapan e influyen en la molécula como un todo.

Fisher y Radzihovsky explican que esto tiene un efecto particularmente fuerte en las moléculas simétricas pequeñas, como el agua o el hidrógeno. La razón es que cuando los espines de dos núcleos interactúan, la simetría dicta que pueden adoptar ciertas configuraciones, pero otras no.

Cuando esa simetría se filtra en el mundo químico, se traduce en que la molécula sólo puede interactuar en situaciones con una simetría de espín similar. 

Por ejemplo, una molécula de hidrógeno o de agua contiene dos núcleos de hidrógeno que pueden girar en la misma dirección, en cuyo caso la molécula se conoce como orto-agua, o en direcciones opuestas, en cuyo caso se la denomina para-agua. Estas diferentes disposiciones de la misma molécula son llamadas isómeros de espín.

Esto tiene implicaciones en cómo las moléculas interactúan entre sí. En muchas reacciones químicas, la manera en que las moléculas se bloquean es importante: si las moléculas no pueden encajar juntas como una llave en una cerradura, la reacción no puede tener lugar.

Fisher y Radzihovsky han mostrado que la indistinguibilidad cuántica influye en cómo las moléculas encajan entre sí, porque impide interacciones que no coinciden con la simetría de los núcleos.

Los investigadores continúan tratando de probar que este efecto hace que las moléculas 'para' sean significativamente más reactivas que las moléculas 'orto', ya que hay un abanico más amplio de este tipo de moléculas para las que la simetría coincide.

En la catálisis enzimática este fenómeno puede jugar un papel importante. Muchas enzimas dependen del hidrógeno para hacer su trabajo, y ahora Fisher y Radzihovsky han demostrado que la indistinguibilidad cuántica debe tener una influencia de peso en este proceso.

Pero probar esta predicción será difícil. La forma más obvia sería medir el resultado de la misma reacción realizada en las versiones 'orto' y 'para' de las moléculas. Esto es más fácil de decir que de hacer, porque las versiones 'orto' y 'para' de la misma molécula son difíciles de separar. Los químicos lo consiguieron en la molécula de agua por primera vez en 2014.

Estudiar y trabajar con el comportamiento químico del agua y del hidrógeno es sólo el comienzo. Fisher y Radzihovsky tienen en mente numerosos ejemplos de otros procesos químicos que también están influenciados por la indistinguibilidad cuántica. Por ejemplo, el fraccionamiento isotópico para el cual la indistinguibilidad cuántica proporciona un nuevo mecanismo, o el fenómeno que explica la actividad química de especies reactivas del oxígeno y que proporciona una manera para que los espines del núcleo influyan en las moléculas bioquímicas.

Hay un valioso tesoro escondido en estos comportamientos exóticos pendiente de estudiar. Probar estas ideas será difícil, pero la recompensa (una mejor comprensión de algunos de los fenómenos biológicos más sutiles e importantes de la química) merece la pena. Esté atento, porque pronto escuchará más sobre esto.

Ref: arxiv.org/abs/1707.05320Quantum Indistinguishability in Chemical Reactions.

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