Científicos resuelven el misterio del oxígeno altamente reactivo
Los investigadores han desentrañado un rompecabezas de décadas en la química al explicar cómo el oxígeno se vuelve altamente reactivo en ciertas condiciones. El avance, detallado en un estudio reciente, revela un nuevo mecanismo que involucra reacciones de oxígeno atómico. Este descubrimiento podría reformular las comprensiones de los procesos atmosféricos y la combustión.
Durante más de 50 años, los químicos han estado desconcertados por el comportamiento del oxígeno altamente reactivo, particularmente en la forma conocida como oxígeno singlete, que juega un papel crucial en reacciones desde la fotosíntesis hasta la contaminación. Un equipo liderado por David Osborn en los Laboratorios Nacionales de Sandia en Estados Unidos ha resuelto finalmente el misterio mediante técnicas experimentales avanzadas.
El estudio, publicado en la revista Science el 10 de octubre de 2024, se centró en la reacción entre átomos de oxígeno y oxígeno molecular. Usando un método llamado imagen de mapa de velocidad, los investigadores observaron los intermedios fugaces en la reacción O + O2 → O3, pero con un giro: identificaron una vía que lleva a la formación de productos de oxígeno en estado triplete altamente reactivos.
"Esta reacción ha sido una caja negra durante tanto tiempo", dijo Osborn en una entrevista con New Scientist. "Ahora vemos exactamente cómo se distribuye la energía, explicando por qué el oxígeno puede volverse de repente tan agresivo al romper enlaces."
El trasfondo de este rompecabezas se remonta a la década de 1970, cuando experimentos iniciales mostraron inconsistencias en las tasas de reactividad del oxígeno bajo diferentes presiones y temperaturas. Los modelos anteriores asumían una transferencia de energía simple, pero no tenían en cuenta los efectos cuánticos que permiten al oxígeno acceder a estados electrónicos prohibidos.
Esta nueva comprensión confirma detalles de múltiples simulaciones computacionales realizadas en la década de 2010, resolviendo discrepancias donde los datos de laboratorio chocaban con la teoría, por ejemplo, informes anteriores sugerían tasas de reacción 10 veces más altas de lo predicho, mientras que este trabajo las alinea con precisión.
Las implicaciones se extienden más allá de la química pura. En la atmósfera, este mecanismo podría influir en la depleción de ozono y la formación de smog, afectando los modelos climáticos. En la industria, mejores predicciones de la reactividad del oxígeno podrían mejorar los diseños de motores y reducir las emisiones de los procesos de combustión.
La investigación se realizó utilizando instalaciones de vanguardia en la Instalación de Investigación de Combustión de Sandia, destacando el rol de los laboratorios nacionales en la ciencia fundamental. Aunque el equipo enfatiza la necesidad de mayor validación en entornos complejos, esto resuelve un enigma central que ha eludido a los científicos durante generaciones.