Tras las vibraciones al interior de una molécula
Tiempo de lectura: 3 minutos Un equipo chileno-estadounidense logra manipular la transferencia de energía al interior de una molécula, utilizando moléculas de renio carbonilo y describiendo sus diferentes tipos de vibración, es como si “la molécula pasa de tocar una nota con un instrumento a tocar otra, lo que se traduce en que la molécula cambia su forma de vibrar”, señala uno de los investigadores.
Una unión virtuosa entre química y óptica cuántica, generada entre un equipo chileno liderado por el investigador del Instituto Milenio de Investigación en Óptica, MIRO, y académico de la Universidad de Santiago de Chile, Felipe Herrera, junto al laboratorio del investigador Markus Raschke, en la Universidad de Colorado Boulder, dio origen a la publicación “Antenna-coupled infrared nano-spectroscopy of intra-molecular vibrational interaction” (Espectroscopía infrarroja de la interacción intramolecular en una nanoantena) en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), una de las revistas científicas de mayor impacto mundial, y donde, por ejemplo, se dio a conocer resultados como la estructura en hélice del ADN humano en 1953.
En este caso, se ha descubierto por primera vez un mecanismo para manipular la transferencia de energía dentro de una molécula en un polímero, lo que ha sido probado y descrito. El investigador de MIRO, Dr. Felipe Herrera, explica que esto es algo a lo que generalmente no se tiene acceso, ya que las moléculas tienen una estructura electrónica establecida y son muy difíciles de manipular debido a que hacen lo que la naturaleza les obliga a hacer.
El Dr. Herrera muestra su entusiasmo al afirmar que han logrado demostrar que es posible manipular la dinámica intrínseca de las vibraciones de un complejo de renio carbonilo utilizado para fotocatálisis, utilizando efectos de coherencia entre la radiación y la materia. Han encontrado una manera de hacerlo y la han descrito utilizando teoría cuántica en una versión simplificada. Además, han sido capaces de describir cuantitativamente el resultado, lo que es un gran logro ya que estos sistemas son difíciles de modelar. Han encontrado modificaciones en las tasas de transferencia entre sus modos vibracionales
Historia del proceso
Este estudio investigó la posibilidad de controlar la interacción entre radiación y materia en estructuras fotónicas a escala nanométrica mediante el uso de luz infrarroja, que es la forma más eficiente de interacción electromagnética con las moléculas.
El estudio, que se remonta a 2020, tardó un año en obtener resultados. Después de dos años, se confirmó la viabilidad de describir estados de coherencia cuántica en sistemas nanofotónicos a temperatura ambiente utilizando la teoría de óptica cuántica convencional. El Dr. Herrera, teórico en el estudio, encontró emocionante descubrir que era posible describir polímeros con estructuras nanofotónicas a temperatura ambiente con esta teoría.
En la molécula
“Imagina que tienes una guitarra y que dependiendo de cómo la tocas obtienes diferentes notas”, dice Felipe Herrera. Para el investigador posdoctoral de MIRO en la Usach, Johan Triana, la transferencia de energía dentro de la molécula sería como tocar una conexión nerviosa y sentir el pulso en otra parte del cuerpo, pero en este caso, “la molécula pasa de tocar una nota con un instrumento a tocar otra, lo que se traduce en que la molécula cambia su forma de vibrar”.
En lugar de utilizar el método común «bombeo-prueba» de espectroscopía bidimensional (2D) para medir la transferencia de energía a nivel molecular, el equipo de investigación empleó la espectroscopía unidimensional (1D) para detectar las vibraciones intramoleculares. Utilizando un solo pulso láser, el equipo creó un campo electromagnético cuantizado alrededor del dispositivo que interactuaba con el polímero para obtener señales de transferencia de energía. Este método permitió trabajar con conjuntos de moléculas más pequeños y reducir el número de moléculas de cientos de miles a solo miles.
El investigador posdoctoral de MIRO, Johan Triana, explica que han reducido el número de aproximaciones necesarias para describir cómo se modifican los tiempos de vida de las coherencias a nivel vibracional cuando el sistema molecular está acoplado a un campo electromagnético alrededor de una nano antena, así como la influencia de otros modos de vibración. El equipo espera aplicar esta técnica en otros sistemas y el Dr. Herrera destaca que el modelo es preciso y la comparación de resultados con experimentos previos es perfecta. En resumen, están inventando una nueva forma de aprender sobre estos materiales, lo que impactó positivamente en los revisores de la revista.
Fuente: Instituto Milenio de Investigación en Óptica, MIRO
