Los procesos químicos al microscopio

Las intersecciones cónicas son un conjunto de puntos geométricos moleculares en los que se encuentran dos superficies de energía potencial iguales en cuanto a simetría espacial y de espín.

Estos puntos son abundantes en un amplio espectro de procesos químicos.

El proyecto QDYINCI («Dinámicas cuánticas en intersecciones cónicas») se puso en marcha con el cometido de profundizar en el conocimiento de cómo se desarrollan las reacciones químicas cuando entran en juego factores cuánticos nucleares tales como la energía del punto cero y los efectos no adiabáticos. Para ello los responsables de este proyecto financiado con fondos europeos se centraron en tres procesos bimoleculares simples.

La reacción de intercambio de hidrógeno (H + H2) suscitaba un interés especial por su reducido tamaño, que permite cálculos de alto nivel y comparaciones directas específicas del estudio. El examen de la reacción OH + H2 planteaba un reto computacional que requería los cálculos más avanzados, sobre todo de cara a llegar a probabilidades de reacción con cambio de estado. Los dos sistemas presentan intersecciones cónicas. El tercer proceso, la reacción H + CH4, se eligió como prototipo de reacción bimolecular poliatómica.

Los investigadores de QDYNCI indagaron en la manera de inducir estados de resonancia cuando la función de onda se encuentra atrapada temporalmente en el cono superior de la intersección. Se sabe que estas resonancias, llamadas de Slonczewski, se producen en una variedad de reacciones químicas. Aquí el reto consistía en descubrir las condiciones bajo las cuales se forman. Los integrantes del equipo formularon la hipótesis de que, atrapando el sistema en tal estado, se podría potenciar ciertas vías de reacción y generar una interferencia cuántica, todo ello para favorecer que determinada reacción química depare resultados concretos.

El estudio de reacciones químicas plantea dificultades formidables. Una es el crecimiento exponencial del cálculo en función de la dimensionalidad. Otra tiene que ver con la precisión y la disponibilidad de superficies de energía potencial (SEP). En lo que concierne a la primera dificultad, los investigadores adoptaron un planteamiento novedoso de dinámica molecular para computar las velocidades de reacción. Para resolver la segunda dificultad, los socios del proyecto QDYNCI dieron con una solución sencilla basada en SEP híbridas.

La unión de dos superficies se puede conseguir mediante funciones de variación polinómica, mientras que la transición de una descripción a otra se consigue basándose en el concepto de la región de confianza (trust región). Combinar ambos niveles de cálculo constituye una manera rentable de mejorar la calidad de la descripción. Los logros alcanzados en QDYNCI han ampliado los recursos que tienen a su disposición los investigadores para conocer más a fondo los mecanismos que entran en juego en procesos químicos seleccionados.

Fuente: Cordis

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