Las reacciones químicas más rápidas del universo: un viaje al femtosegundo y más allá

Las reacciones químicas más veloces ocurren en escalas de tiempo inimaginables para el ser humano, desde femtosegundos (10⁻¹⁵ s) hasta attosegundos (10⁻¹⁸ s). Estas transformaciones ultrarrápidas permiten estudiar directamente la formación y ruptura de enlaces atómicos, revelando detalles fundamentales de la naturaleza de la materia.

¿Qué define la velocidad de una reacción química?

La velocidad o rapidez de una reacción se cuantifica mediante la constante de velocidad, que refleja cuántas colisiones efectivas entre reactivos conducen a productos por unidad de tiempo y volumen. En reacciones sin barrera energética (reacciones “barrierless”), la reorganización atómica tarda típicamente decenas de femtosegundos; por ejemplo, la formación o ruptura de un enlace covalente requiere alrededor de 60 fs. El estudio de estas velocidades, la cinética química, es crucial para predecir mecanismos y controlar procesos en química, bioquímica e ingeniería.

Campos de estudio ultrarrápidos: femto- y attosegundos

Femtoquímica

La femtoquímica investiga fenómenos a escalas de 10⁻¹⁵ s mediante pulsos láser ultracortos para “fotografiar” el momento preciso de formación o ruptura de enlaces. Ahmed H. Zewail acuñó el término en 1988 y recibió el Nobel de Química en 1999 por esta labor pionera.

Attosegundos

Más allá, la attoquímica aborda escalas de 10⁻¹⁸ s, permitiendo rastrear la dinámica electrónica pura antes de que los núcleos atómicos se desplacen appreciablemente.

Ejemplos emblemáticos de reacciones ultrarrápidas

Neutralización ácido–base (H⁺ + OH⁻ → H₂O)

Considerada durante décadas como la reacción más veloz, su constante de velocidad fue medida por Manfred Eigen y Leo De Maeyer en 1955 usando métodos de relajación eléctrica, confirmando que ocurre prácticamente al límite de difusión molecular.

Disociación de agua ionizada (H₂O⁺ + H₂O → H₃O⁺ + OH·)

En menos de 50 fs, el agua neutra captura un protón de H₂O⁺ formado por ionización, generando hidronio y radical hidroxi. Este proceso fue observado con espectrómetros de fotoelectrones de femtosegundo.

Rotura de enlace Br–Br en bromo

Mediante láseres de 400 nm, la división de la molécula de Br₂ en átomos individuales se completa en unos 140 fs: los electrones se sitúan en átomos separados tras 140 fs y la distancia atómica alcanza 6 Å a los 160 fs.

Técnicas para medir reacciones ultrarrápidas

Espectroscopía pump–probe

Consiste en un pulso “pump” que inicia la reacción y un pulso “probe” retrasado que interrogue el sistema. Variando el retardo se reconstruye la evolución temporal de la reacción con resolución de femtosegundos.

Métodos de relajación química

Tras una perturbación (eléctrica, térmica o de presión), se monitorea el retorno a equilibrio mediante cambios de conductividad o absorbancia; esta técnica fue clave para la neutralización H⁺/OH⁻.

Aplicaciones y relevancia

-Biología molecular: Permite desentrañar conformaciones dinámicas de ARN y proteínas en tiempo real.

-Energéticos y detonación: Modeliza cómo la energía de choque induce “hotspots” que aceleran la descomposición de materiales explosivos.

-Nanotecnología de líquidos: En microgotas y nanogotas, la confinación acelera la nucleación de nanoburbujas de H₂, optimizando procesos de almacenamiento y liberación de hidrógeno.