Física cuántica y nuevas estructuras químicas

La pasada semana se celebró la Semana Nobel que culminó con la entrega de los premios a los galardonados cuyos nombres conocimos en los primeros días de octubre. Las noticias se centraron en el Nobel de la Paz, María Corina Machado; pero hoy nos toca comentar los premios de las categorías de Física y Química. Les prometo hablar del premio de la Paz antes de finalizar el año.

Explicar, en plan popular, los premios de estas especialidades científicas suele ser algo complicado, dado el alto nivel de abstracción de los méritos de los premiados. Es el caso de los tres ganadores del Nobel de Física: John Clarke (inglés, nacido en 1942), Michel H. Devoret (francés, 1953) y John M. Martinis (estadounidense, 1958), premiados "por el descubrimiento de la tunelización mecánica cuántica macroscópica y la cuantificación de la energía en un circuito eléctrico". ¿Veamos cómo explicamos todo eso? Los trabajos de los tres premiados se remontan a los años 1984-85, eran bastante más jóvenes, cuando realizaron una serie de experimentos con los que mostraron a nivel macroscópico (visible a simple vista) el denominado efecto túnel cuántico. Y esto es realmente asombroso, pues la física cuántica explica los fenómenos a nivel microscópico (no visible a simple vista). En realidad eso de macro/micro o visible/no visible no es exactamente lo que parece. Aclaremos.

La mecánica cuántica, cuyo protagonista más famoso es el gato de Schrödinger, explica las propiedades de partículas individuales, se habla de fenómenos microscópicos frente a los macroscópicos que afectan a un gran número de partículas. En el mundo cuántico microscópico ocurren cosas asombrosas (como que el gato este vivo y muerto a la vez), como el llamado efecto túnel. Si nosotros lanzamos un balón, que tiene un montón de partículas en su composición, contra una pared, sabemos que rebotará. Sin embargo, si lanzamos un átomo o una partícula como un electrón, contra una barrera equivalente en su mundo microscópico, resulta que puede aparecer al otro lado, como si pasara por un túnel y atravesara la barrera. ¿Con qué número de partículas dejan de observarse los efectos cuánticos como el efecto túnel? Digamos que cómo de pequeño debe ser el gato de Schrödinger para que pueda estar vivo y muerto a la vez, pues sabemos que macroscópicamente un gato no puede estar en esos dos estados que, sin embargo a nivel micro (cuántico) si puede estarlo. Los premiados construyeron circuitos eléctricos superconductores, que implicaban a un gran número de partículas y que eran visibles, que se comportaban como predecía la mecánica cuántica pues podían pasar de un estado de energía a otro diferente como predice el efecto túnel, como si sus electrones atravesaran la pared. Si quieren una explicación matemática, le sugiero lean Scientific Background to the Nobel Prize in Physics 2025 (3), y luego me lo explican, gracias. La utilidad de estos experimentos es más bien teórica pero en el futuro puede servir para el desarrollo de los famosos ordenadores cuánticos, que a lo mismo en poco tiempo podremos tener, previo pago, en nuestras mesas de trabajo.

Los premiados con el Nobel de Química son también tres varones: Richard Robson, (inglés, nacido en 1937), Susumu Kitagawa, (japonés, 1951); y Omar M. Yaghi, (jordano, 1965), premiados “por el desarrollo de estructuras metalorgánicas”. Estas estructuras, denominadas MOF, surgieron de una curiosa necesidad docente. En 1974 Robson era profesor en Melbourne y le encargaron que diseñara modelos atómicos a partir de bolas de madera para que sus estudiantes recrearan estructuras moleculares. Al encargar los modelos tenía que señalar donde debían estar los agujeros en las bolas de madera para poder hacer luego los enlaces (la bola del átomo de carbono tenía que tener cuatro agujeros en una disposición adecuada, y así en cada caso; son los modelos que los estudiantes de química conocen). El taller le hizo los modelos y empezó a probarlos y… entonces pensó si podría diseñar nuevos tipos de estructuras moleculares uniendo las moléculas construidas y no solo construir moléculas a partir de átomos. La idea podía parecer meramente teórica, de hecho hasta 1989, basándose en la estructura del diamante, no comprobó que podía sintetizar estas moléculas que presentaban formas tridimensionales muy ordenadas y que tienen amplias cavidades internas. Robson predijo que esas estructuras podrían servir para construir nuevos materiales. Ese fue el inicio de los MOF, siendo los otros dos premiados creadores de diversas estructuras que combinan átomos metálicos con otras moléculas. Kitagawa y Yaghi consolidaron y desarrollaron las bases de estas nuevas construcciones, una nueva arquitectura química.

Estos MOF pueden tener una enorme utilidad práctica en varios campos: pueden usarse para contener los gases tóxicos necesarios para producir semiconductores, pueden capturar el dióxido de carbono que se genera en procesos industriales, o capturar en su interior productos contaminantes. Por ahora solo se han probado a pequeña escala pero la industria de materiales pone en ellos grandes esperanzas e ingentes cantidades de dinero para desarrollarlos.