Unidad de Cultura Científica

Avances en química polaritónica

06/11/2017
11_06_Polaritonica Estructura energética que gobierna la reacción química de dos moléculas tras la absorción de un sólo fotón. (t0) cinco moléculas en acoplo fuerte con la luz. (t1) el sistema ha evolucionado, presentando una molécula con una estructura distinta. /UAM

Investigadores de la Universidad Autónoma en Madrid (UAM) han logrado importantes avances en la química polaritónica, un campo emergente que permite activar reacciones que de otra manera estarían ‘prohibidas’ en la química convencional. Sus resultados, publicados en Physical Review Letters, y que han sido noticias destacadas en Physics y Nature, muestran la posibilidad de generar una reacción fotoquímica en cadena a partir de un sólo fotón, algo que hasta ahora no era posible. 

La foto-isomerización es un proceso químico en el cual la estructura nuclear de una molécula orgánica es alterada como consecuencia de la absorción de un fotón. Este proceso no sólo tiene una gran relevancia en procesos fundamentales de la naturaleza, como la fotosíntesis o la visión humana. También es una herramienta de extrema utilidad en aplicaciones tecnológicas, por ejemplo en el diseño de interruptores moleculares o en el almacenamiento de energía solar.

En condiciones normales, estas reacciones fotoquímicas son gobernadas por la ley de Stark-Einstein, que establece que solo una molécula puede reaccionar por cada fotón absorbido.

Un artículo reciente, publicado en Physical Review Letters por Javier Galego, Francisco José García Vidal, y Johannes Feist, investigadores del departamento de Física Teórica de la Materia Condensada y el Centro de Investigación en Física de la Materia Condensada (IFIMAC) de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), ha demostrado teóricamente la posibilidad de ir más allá de la ley de Stark-Einstein gracias a un fenómeno propio de la electrodinámica cuántica conocido como “acoplo fuerte”.


Química Polaritónica

En este régimen de acoplo fuerte, la luz y la materia interaccionan muy intensamente, lo que genera que el material presente unas excitaciones, llamadas polaritones, que tienen  propiedades tanto de la luz como de la materia.

Este carácter híbrido de los polaritones tiene un impacto importante en las propiedades químicas del sistema, por lo que se ha acuñado el término de ‘Química Polaritónica’ para describir el efecto de los polaritones en las reacciones químicas. Gracias a este campo emergente de la ciencia, es posible activar reacciones que de otra manera estarían prohibidas en la química convencional.

En su trabajo, los autores consideran unas moléculas orgánicas que permiten almacenar energía solar y demuestran cómo la Química Polaritonica ofrece una herramienta para manipular la estructura energética que determina las reacciones químicas en esas moléculas.

En particular, muestran la posibilidad de generar una reacción en cadena en un conjunto de moléculas, donde una molécula reacciona después de otra como consecuencia de la absorción de un sólo fotón al principio de la reacción.

“Este trabajo se añade a la lista de ejemplos del gran potencial que nos ofrece la Química Polaritónica, un novedoso campo interdisciplinar que reúne ramas de la ciencia que normalmente no van de la mano como son la Química y la Electrodinámica Cuántica”, aseguran los autores. 

“En las reacciones químicas corrientes, las moléculas y la luz tienen roles muy distintos. Sin embargo, la Química Polaritónica requiere que cambiemos nuestro concepto habitual de molécula por uno nuevo que involucre a la luz, y que posibilita nuevos procesos químicos que desafían las leyes de la fotoquímica convencional”, concluyen.


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Referencia bibliográfica:

Javier Galego, Francisco J. Garcia-Vidal, and Johannes Feist. Many-Molecule Reaction Triggered by a Single Photon in Polaritonic Chemistry. Phys. Rev. Lett. Doi: 10.1103/PhysRevLett.119.136001


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