miércoles, 16 de noviembre de 2011

La cinética química en las nubes interestelares podría ser muy diferente a la que se cree.




Cuando nos planteamos la evolución del universo solemos hablar de materia y energía en términos muy genéricos (radiación, gas, partículas, polvo, etc.) y puramente físicos, como si las reacciones químicas fuesen algo más reciente y que no tuviesen nada que ver con la formación de las estrellas, la evolución de las nubes interestelares, o la formación de los planetas. Sin embargo, las reacciones químicas juegan ya un papel importante en el universo primitivo.

Las reacciones astroquímicas son poco conocidas y, en principio, difieren mucho de la química terrestre por el entorno en el que tienen lugar: temperaturas próximas al cero absoluto, tasas de colisión (choques) entre especies (átomos, iones, moléculas) bajísimas, exposición a radiaciones ionizantes, etc. Estas condiciones hacen que se encuentren especies que son impensables en la Tierra. Pero no solamente especies, también se están encontrando resultados de velocidades de reacción que son completamente inesperados y anti-intuitivos. Veamos dos casos muy sencillos pero de consecuencias importantes.

Cuando un átomo neutro y un ion positivo se encuentran pueden ocurrir alguna de estas reacciones:

[a] A + B+ A+ + B
[b] A + B+ A+ + B + γ
[c] A + B+  (AB)+ + γ

donde γ es un fotón. Estas reacciones se llaman reacciones de intercambio de carga binarias (RICB), pues lo único que ocurre es que existe un intercambio de un electrón entre las dos especies. En la química terrestre lo habitual es [a], pero [c] es la siguiente posibilidad más probable con la salvedad de que, si bien la teoría dice que debe emitirse un fotón, la cantidad de colisiones hace que la liberación de energía se haga en forma de calor. La reacción [c] se denomina asociación radiativa (AR).

Un equipo de investigadores encabezado por Wade Rellergert, de la Universidad de California en Los Ángeles (EE.UU.), ha estudiado a temperaturas sólo unas milésimas por encima del cero absoluto la AR entre un átomo de calcio y otro de iterbio:

40Ca + 174Yb+  (CaYb)+ + γ

Átomos e iones se hacían reaccionar en una trampa híbrida (magneto-óptica) de iones donde los láseres se habían encargado de enfriarlos adecuadamente. La velocidad de reacción medida fue 4 órdenes de magnitud mayor (¡diez mil veces más rápida!) de la que se suele asumir para la RA en estas condiciones. Varias comprobaciones y cálculos teóricos confirmaron que el valor era correcto. Los resultados aparecen en un preprint subido a arXiv [1].



Por otra parte, el equipo de Felix Hall, de la Universidad de Basilea (Suiza), ha encontrado en RICB ultrafrías muy sencillas, también en trampas iónicas híbridas, una química muy compleja. En este caso los investigadores han hecho reaccionar iones de calcio con átomos de rubidio:

87Rb + 40Ca+

observando todas las reacciones posibles ([a], [b], [c]).

Lo interesante de los experimentos de Hall et al., cuyos resultados están disponibles en arXiv [2], es que demuestran los cálculos teóricos según los que, si el ion calcio está excitado en el momento de encontrarse con el átomo de rubidio puede emitir un fotón de muchas más formas que si está en el estado de menos energía. Es decir, la luz excita el ion, lo que aumenta sus probabilidades de reaccionar emitiendo un fotón; el efecto neto es que la luz actúa de catalizador. En concreto si el ion de calcio está en el segundo nivel de excitación la reacción es 100 veces más rápida que en estado fundamental.

¿Cómo interpretamos estos datos? Estos estudios demuestran que los electrones en un átomo muy lento (muy frío) tienen tiempo de interactuar con un ion cuando colisionan. La RCIB habitual a temperatura ambiente [a], en la que el electrón salta del átomo al ion durante un contacto brevísimo, se hace muy improbable. En vez de eso, el átomo y el ion están mucho más tiempo juntos en un estado que recuerda una molécula excitada [c], que tiene una alta probabilidad de emitir un fotón, lo que le da a las velocidades de reacción un empujón significativo (e inesperado).

Para modelar la actividad y la historia de las nubes de gas los astrofísicos hacen uso de bases de datos con información sobre las reacciones químicas, pero los datos están incompletos, con muchas reacciones aproximadas o extrapoladas. Estos resultados tan sorprendentes ponen aún más de relieve la necesidad de realizar estudios quimicocuánticos sistemáticos y mediciones experimentales de las velocidades de reacción.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la IXEdición del Carnaval de Química que acoge Hablando deciencia

Referencias:

[1] W Rellerget et al, 2011, arXiv:1104.5478 [pre-print]
[2] F Hall et al, 2011, arXiv:1108.3739 [pre-print]