Las microondas son comúnmente conocidas por su capacidad para calentar y acelerar reacciones químicas, una propiedad que ha sido aprovechada en laboratorio y en la industria durante décadas. Sin embargo, recientes investigaciones han revelado que las microondas no solo pueden acelerar reacciones, sino también suprimirlas, un descubrimiento que desafía la comprensión tradicional basada exclusivamente en el calentamiento térmico. Este avance ofrece una nueva dimensión en el control de las reacciones químicas, permitiendo no solo acelerar sino también ralentizar procesos específicos por medio de la manipulación del estado energético de las moléculas involucradas. Tradicionalmente, la ley de Arrhenius explica que al aumentar la temperatura se incrementa la energía cinética de las moléculas, facilitando que un mayor número de ellas supere la barrera de activación necesaria para que la reacción química ocurra. Las microondas suelen emplearse para transferir esta energía térmica, calentando los reactantes y, por ende, acelerando la reacción.
Sin embargo, observaciones experimentales recientes han demostrado que las reacciones inducidas o controladas por microondas no siempre se comportan de manera idéntica a las aceleradas por otros métodos térmicos convencionales como baños de aceite o calentamiento por resistencia. Esto generó debate y especulación en la comunidad científica sobre la posible existencia de efectos electromagnéticos no térmicos asociados a las microondas. En un estudio pionero realizado por Valentina Zhelyazkova y su equipo en el Instituto Federal Suizo de Tecnología (ETH) de Zúrich, se demostró que un pulso de microondas puede excitar moléculas de monóxido de carbono (CO) a un estado rotacional específico que es menos reactivo, ralentizando así la reacción gas-fase con iones de helio (He+). Esta investigación no solo proporcionó evidencia inequívoca del efecto no térmico de microondas en la química, sino que además abrió un nuevo camino para el control preciso y dinámico de las reacciones químicas a través de la manipulación cuántica de estados moleculares. El experimento se llevó a cabo utilizando haces supersónicos de He y CO, que se expanden a alta presión en el vacío para disminuir la temperatura efectiva de las moléculas a unos pocos kelvins.
Esta condición ultrafría es crucial porque limita la participación a unos pocos estados de momento angular cuantizados, permitiendo un control mucho más fino y un análisis detallado de las influencias moleculares en la velocidad de la reacción. Mediante la aplicación controlada de un pulso de microondas antes de la colisión, una fracción selecta de las moléculas de CO fue promovida de su estado rotacional fundamental a un estado rotacional excitado, el cual mostró una reactividad disminuida. Para permitir las colisiones bajo las condiciones necesarias, los investigadores convirtieron átomos de helio en átomos Rydberg mediante excitación láser. Esta conversión es esencialmente un truco experimental que aísla los electrones muy alejados del núcleo, de modo que el átomo actúa como un ion positivo pero sin la complejidad adicional que normalmente suponen la interacción electrónica, facilitando una interpretación más limpia de la reacción. Además, el uso de un deflector Rydberg-Stark permitió dirigir estos átomos excitados precisamente hacia el haz de moléculas de CO.
Los productos resultantes de la reacción fueron detectados y analizados mediante un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo con un detector de microcanales, que permitió contar con precisión el número de moléculas reaccionadas. La comparación entre las tasas de reacción medidas y las predicciones teóricas, basadas en la teoría de captura, confirmó que la simple excitación rotacional influía significativamente en la velocidad de la reacción. No obstante, el comportamiento experimental solo concordó con la teoría cuando se incluyó la contribución de todos los subniveles magnéticos de los estados rotacionales excitados, un fenómeno posiblemente atribuido a efectos de campos magnéticos ambientales que inducen la mezcla y aleatorización de estos subniveles. Estos hallazgos no solo consolidaron la teoría de que las microondas tienen un efecto no térmico directo sobre la reactividad química, sino que también demostraron que es posible modular la velocidad de las reacciones de forma controlada mediante la duración del pulso de microondas, desde la supresión hasta la potenciación de las reacciones. Esto tiene implicaciones trascendentales para la química en condiciones extremas y altamente controladas, como las que se dan en el espacio interestelar, donde las bajas temperaturas y los estados moleculares específicos dominan la química.
El potencial de esta técnica es enorme. Por ejemplo, estudiar y manipular isómeros – moléculas con la misma composición atómica pero diferente estructura – puede beneficiarse enormemente de esta aproximación, ya que el estado rotacional influye en las rutas y velocidades de reacción. Además, en la astroquímica, donde muchas reacciones ocurren a temperaturas extremadamente bajas y con estados energéticos específicos, esta capacidad para controlar reacciones a nivel cuántico promete proporcionar una claridad sin precedentes sobre los mecanismos moleculares involucrados. Asimismo, la supresión controlada de reacciones químicas puede tener aplicaciones prácticas directas, como en la industria farmacéutica, donde la precisión en la formación de productos selectivos es crucial, o en la síntesis orgánica, permitiendo optimizar rutas sintéticas evitando reacciones secundarias no deseadas. El control dinámico y selectivo mediante microondas también podría contribuir al desarrollo de procesos más eficientes y sostenibles, reduciendo el desperdicio y la necesidad de condiciones extremas de temperatura o presión.
Este avance también resalta la importancia creciente de la física atómica y molecular dentro de la química moderna. La integración de técnicas de control cuántico, la manipulación precisa de estados moleculares y el uso de tecnologías avanzadas como los átomos Rydberg y la espectrometría de alta resolución están transformando la manera en que entendemos y dirigimos procesos químicos. Sin embargo, el camino por delante aún presenta retos y preguntas abiertas. Por ejemplo, la influencia de fuerzas de corto alcance y caminos alternativos en las reacciones, aspectos que la teoría de captura no contempla completamente, requieren investigaciones adicionales para lograr modelos predictivos más completos. También es necesario profundizar en la comprensión del impacto de campos magnéticos y otros factores ambientales en la estabilización o mezcla de estados cuánticos, para optimizar la precisión del control por microondas.
En conclusión, la capacidad de suprimir y controlar reacciones químicas mediante la excitación selectiva de estados rotacionales con microondas representa un salto significativo en la química controlada. Esta tecnología permite un manejo sin precedentes de las velocidades de reacción y abre nuevas vías para estudiar mecanismos químicos fundamentales en condiciones ideales. Más allá del mero calentamiento, las microondas se posicionan ahora como una herramienta sofisticada para modelar y dirigir procesos moleculares con gran exactitud. La investigación futura promete ampliar estas aplicaciones y descubrir nuevas formas de aprovechar la interacción de la radiación electromagnética con la materia para innovar en la ciencia y la tecnología químicas.
