Avances en química polaritónica posibilitan nuevos procesos químicos

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 solo fotón, algo hasta ahora imposible.

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, por la 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 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".

Activar reacciones químicas

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.

La química polaritónica permite activar reacciones que 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 polaritónica 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.

"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 sus autores.