Describren los niveles de vibración en sistemas moleculares

Juan Carlos Villa Soto Ť Para entender la estructura de la materia es importante describir los sistemas moleculares. Estos son muy complejos, pues constan de muchísimos electrones y de muchos núcleos atómicos. Empero, se han desarrollado diversas aproximaciones para describir estos sistemas, es decir, para identificar sus interacciones más importantes y sus diferentes niveles de energía (electrónicos, rotacionales y vibracionales), que van a dar cuenta de la estructura general del sistema molecular.

El doctor Renato Lemus Casillas, investigador del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM, se ha interesado particularmente en la descripción de los niveles de energía vibracionales de ciertos sistemas moleculares.

Para explicarnos lo que es una vibración, el doctor Lemus nos pide que imaginemos que estamos parados en el centro de una molécula. Si la molécula está rotando y nosotros estamos rotando junto con ella, no advertiremos este movimiento, como tampoco notamos la rotación de la Tierra porque estamos en el mismo sistema de referencia. Continuando con la analogía, nos dice que en la Tierra sólo percibimos los movimientos cuando cambian las distancias relativas: me doy cuenta si una persona se aleja o se acerca de mí. En el caso de la molécula, si también estamos en su mismo sistema de referencia, nada más veríamos que los núcleos se alejan y se acercan, esto es lo que llamamos vibración, apuntó.

Nuestro propósito, agregó el investigador, es describir los niveles de vibración de las moléculas. Comentó que las vibraciones se llevan a cabo alrededor de puntos que equilibrio; si éstas son pequeñitas (si los núcleos no se alejan ni se acercan mucho entre sí) entonces las vibraciones se pueden describir bien. Empero, si las distancias relativas varían mucho la descripción será más difícil, acotó.

El investigador dijo que el problema de la descripción de los niveles de vibración se puede atacar a partir de métodos empíricos. El especialista en ciencias químicas nos dice que las moléculas se analizan por el método de espectroscopía, una herramienta muy útil que surgió con el advenimiento de la mecánica cuántica: se hace que la molécula interactúe con radiación de un cierto intervalo de frecuencia. El investigador comentó que hay ciertas frecuencias que se absorben más, otras menos, y como consecuencia se observan ciertos picos. Señaló que estos picos están muy relacionados con las probabilidades de transición entre dos niveles de energía y que estas probabilidades de transición son importantes para interpretar el espectro y establecer un cierto modelo molecular.

Lemus Casillas dijo que a partir de estos métodos tratan de tomar ventaja al máximo de la simetría de los sistemas. Aclaró que la simetría tiene que ver con las transformaciones que dejan invariante al sistema. La existencia de simetrías tiene dos consecuencias: una práctica, en el sentido de que permite simplificar los cálculos que se tienen que realizar para entender la naturaleza del sistema, y otra conceptual, en tanto que permite entender el sistema desde otras perspectivas. Agregó que las simetrías se pueden formalizar a partir de un campo de las matemáticas que se llama teoría de grupos.

Con base en la información de la simetría se pueden describir diferentes sistemas y plantear modelos para la descripción espectroscópica de los mismos. Esta información puede estar asociada con las interacciones, las cuales se pueden describir mediante ciertas álgebras que están relacionadas con grupos y por lo tanto con cierta simetría. Por otro lado, esta información también puede dar cuenta de la geometría del sistema.

Nuestro objetivo, dijo, es tomar en cuenta las interacciones más importantes, es decir, las que me van a dar la estructura general del sistema molecular. Señaló que la geometría de las moléculas es una consecuencia de las interacciones: el átomo se --acomoda-- donde la energía sea mínima, es decir, donde le --estorbe-- menos otro átomo que esté cerca. En este sentido, señaló que primero se describen las interacciones y después se ve qué pasa con la geometría. Este último paso es irrelevante cuando no hay simetría.

Finalmente, el doctor Lemus dijo que a partir de los métodos que se utilizan para conocer cómo vibran las moléculas, y con base en los modelos se puede deducir la forma de esas moléculas en el espacio. De este modo sabemos que el metano es un tetraedro o que el etano tiene la forma de dos pirámides, acotó el investigador.