Un estudio publicado en Physical Review Letters reveló que las fluctuaciones del vacío electromagnético, amplificadas en nano cavidades, pueden favorecer la ruptura de enlaces químicos utilizando menos energía. El hallazgo abre nuevas perspectivas para optimizar procesos relacionados con la transición energética y la industria química sostenible.
Aunque suele imaginarse como un espacio completamente vacío, el vacío cuántico está lleno de diminutas fluctuaciones de energía. Un equipo de investigadores liderado por Felipe Herrera, académico de la Universidad de Santiago de Chile e investigador del Instituto Milenio de Investigación en Óptica (MIRO), demostró que este fenómeno puede aprovecharse para facilitar la ruptura de enlaces químicos, reduciendo la energía necesaria para que ocurran determinadas reacciones.
El estudio, publicado en Physical Review Letters bajo el título Enhancing Infrared-Laser Dissociation of Molecules with the Electromagnetic Vacuum, describe un nuevo mecanismo en el que las fluctuaciones naturales del vacío electromagnético se intensifican cuando una molécula es confinada dentro de estructuras nanométricas conocidas como nano cavidades. En estas condiciones, un láser infrarrojo puede romper enlaces químicos con mayor eficiencia.
«Demostramos que, bajo condiciones de confinamiento electrodinámico de una molécula dentro de una nano cavidad, se modifican las vibraciones moleculares de manera tal que es mucho más fácil romper enlaces químicos, debido a la interacción de las moléculas con las fluctuaciones del vacío», explica Felipe Herrera.
Un avance para la química y la transición energética
La investigación aporta nuevos conocimientos sobre el comportamiento de las moléculas cuando interactúan intensamente con la luz en espacios extremadamente pequeños. Si bien las nano cavidades ya se estudian ampliamente por sus aplicaciones fotónicas, hasta ahora existía escasa comprensión sobre cómo estas estructuras podían influir en las reacciones químicas.
Según Herrera, los resultados muestran por primera vez que efectos cuánticos fundamentales pueden utilizarse para estimular la reactividad de moléculas de interés industrial.
«Demostramos cómo efectos puramente cuánticos, como las fluctuaciones del vacío electromagnético, pueden explotarse para estimular significativamente la reactividad de moléculas pequeñas de amplio interés en química, por ejemplo en procesos de captura electroquímica de dióxido de carbono o en la electrólisis del agua para producir hidrógeno», señala el investigador.
Estas aplicaciones podrían contribuir al desarrollo de procesos químicos más eficientes, reduciendo el consumo energético y favoreciendo tecnologías orientadas a la descarbonización y la producción de energías limpias.
Simulaciones para comprender la química cuántica
El trabajo fue de carácter teórico y se desarrolló durante aproximadamente dos años y medio mediante simulaciones computacionales. Los investigadores utilizaron los servidores del grupo de Tecnología Cuántica Molecular, liderado por Felipe Herrera, junto con infraestructura computacional de la Universidad Católica del Norte, donde trabaja el académico Johan Triana.
Mediante herramientas especializadas de modelamiento molecular y física cuántica, el equipo recreó virtualmente el comportamiento de las moléculas dentro de nano cavidades para analizar su interacción con la radiación infrarroja.
Mientras Felipe Herrera lideró el desarrollo conceptual del estudio y el análisis de los resultados, Johan Triana encabezó el trabajo numérico y contribuyó a la interpretación de los hallazgos.
Los resultados fortalecen una línea emergente de investigación que busca utilizar fenómenos cuánticos para controlar reacciones químicas, con potenciales aplicaciones futuras en áreas como la energía, la nanotecnología y la química sostenible.
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