Un equipo de científicos internacionales ha dado a conocer un sorprendente descubrimiento en física molecular, revelando una dinámica inesperada de ruptura de simetría en dímeros de dióxido de carbono ionizado. El estudio, publicado en Nature Communications, proporciona nuevos conocimientos sobre los cambios estructurales que se producen cuando estos grupos moleculares se exponen a la radiación ultravioleta extrema (EUV).
Un equipo internacional de científicos, dirigido por los profesores Daniel Strasser y Roi Baer, de la Universidad Hebrea de Jerusalem, han hecho un descubrimiento importante en física molecular, revelando una dinámica inesperada de ruptura de simetría en dímeros de dióxido de carbono ionizado.
Este estudio, publicado en Nature Communications, revela nuevos conocimientos sobre los cambios estructurales que se producen cuando estos grupos moleculares se exponen a radiación ultravioleta extrema (EUV).
El esfuerzo colaborativo ha demostrado que los dímeros de CO₂ ionizado experimentan reordenamientos estructurales asimétricos, lo que conduce a la formación de fracciones de CO₃.
El descubrimiento tiene implicaciones significativas para la astroquímica atmosférica y la astroquímica, ya que ofrece una comprensión más profunda del comportamiento molecular en condiciones extremas.
La película muestra la dinámica del dímero de CO2 simulada que se inicia por fotoionización. La liberación de energía cinética (KER) en la explosión de Coulomb del dímero por un pulso retardado en el tiempo permitió sondear experimentalmente la dinámica.
Hallazgos clave: dinámica de ruptura de simetrías y reordenamiento estructural
En entornos como el espacio exterior frío y los entornos atmosféricos, las moléculas de dióxido de carbono a menudo forman pares de forma simétrica. Según la mecánica cuántica, la función de onda de estos pares debería preservar la simetría incluso después de la ionización. Sin embargo, investigadores de la Universidad Hebrea de Jerusalem (Israel), el Instituto Max Planck de Física Nuclear (Alemania) y la instalación de láser de electrones libres FLASH en DESY (Alemania) han observado un fenómeno llamado ruptura de simetría.
Se utilizaron dos modelos de química cuántica bien establecidos para predecir el comportamiento de los dímeros ionizados. El primer modelo sugería que las moléculas se moverían al unísono, manteniendo su forma simétrica. En contraste, el segundo modelo predijo que la ionización rompería la simetría, haciendo que una de las moléculas girara lentamente alrededor de su eje y apuntara hacia su compañera en aproximadamente 150 femtosegundos. Mediante el uso de pulsos EUV ultrarrápidos producidos por el láser de electrones libres FLASH, los investigadores confirmaron el segundo modelo, demostrando que los dímeros ionizados experimentan un reordenamiento estructural asimétrico.
Esta ruptura de la simetría conduce a la formación de fracciones deCO3 , que podrían desempeñar un papel crucial en la evolución química de especies más complejas en entornos fríos del espacio exterior.
La mecánica cuántica y el fenómeno de ruptura de simetrías
Una pregunta clave que surge de este estudio es cómo se produce la ruptura de la simetría a pesar de que la mecánica cuántica lo prohíbe. Los investigadores explican que, al igual que el famoso gato de Schrödinger, el par de moléculas de dióxido de carbono existe en una superposición de dos estados de ruptura de simetría. El sistema conserva la simetría hasta que la función de onda cuántica colapsa tras la medición, lo que hace que una de las moléculas de CO2 gire en relación con la otra.
Implicaciones más amplias e investigaciones futuras
El profesor Daniel Strasser, autor principal del estudio, destacó la importancia de los hallazgos: “Nuestra investigación demuestra el poder de combinar técnicas experimentales de vanguardia con modelos teóricos avanzados para descubrir un comportamiento molecular inesperado. Estos conocimientos sobre la dinámica de los dímeros de dióxido de carbono ionizado podrían abrir nuevas vías para la química del dióxido de carbono y contribuir a nuestra comprensión de los procesos planetarios y atmosféricos”.
El profesor Roi Baer, quien dirigió el modelo teórico, comentó: “Al comparar directamente la teoría con las mediciones experimentales, mejoramos nuestra capacidad para simular y predecir el resultado de reacciones químicas que ocurren en entornos remotos y que no son posibles de probar experimentalmente en un laboratorio”.
Los resultados del estudio tienen implicaciones significativas para la química atmosférica, la astroquímica y proporciona nuevos conocimientos sobre el ciclo del dióxido de carbono atmosférico. El descubrimiento de los reordenamientos estructurales asimétricos, la formación de una fracción deCO3 y la dinámica resuelta en el tiempo proporciona una comprensión más profunda de los procesos moleculares en condiciones extremas.
Esta investigación fue posible gracias a la colaboración internacional y al uso de instalaciones de última generación, incluido el láser de electrones libres FLASH2 en DESY en Hamburgo, Alemania. El enfoque innovador del equipo allana el camino para futuras investigaciones sobre el comportamiento de los grupos moleculares en condiciones extremas, con aplicaciones potenciales que van desde la ciencia atmosférica hasta nuevos métodos de síntesis química.
El artículo de investigación titulado “Symmetry-breaking dynamics of a photoionized carbon dioxide dimer”, ya está disponible en Nature Communications.
Investigadores:
Ester Livshits1,2, Dror M. Bittner1, Florian Trost3, Severin Meister3, Hannes Lindenblatt3, Rolf Treusch4, Krishnendu Gope1,5, Thomas Pfeifer3, Roi Baer1,2, Robert Moshammer3 & Daniel Strasser1.
Instituciones:
1. Instituto de Química, Universidad Hebrea de Jerusalem.
2. Centro de Investigación Fritz Haber de Dinámica Molecular, Universidad Hebrea de Jerusalem.
3. Instituto Max Planck de Física Nuclear, Heidelberg, Alemania.
4. Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Hamburgo.
5. Iser-Tripathi, Vidura, Kerala, 695551, India.
