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Científicos de la Universidad Autónoma de Madrid han obtenido ‘secciones eficaces’ –un parámetro para medir reacciones en una superficie– durante el intercambio de carga entre protones y moléculas de nitrógeno. El estudio, que publica la revista Physical Review A, supone un avance en la investigación de plasmas atmosféricos como los implicados en la formación de auroras polares.
Un estudio teórico de la reacción de neutralización de iones de hidrógeno (protones) con moléculas de nitrógeno ha logrado como resultado las denominadas 'secciones eficaces', unas magnitudes que indican la probabilidad con que se produce un determinado proceso físico-químico en una superficie.
La obtención de estas secciones representa un "importante avance" -según los autores- para el estudio de plasmas atmosféricos como los de las auroras polares. También pueden ser útiles en la comprensión de sistemas más complejos, como las reacciones entre iones y moléculas de interés biológico.
Procesos de intercambio de carga similares con otras moléculas también son relevantes para distintos propósitos científicos, como el tratamiento de cáncer con haces de iones (hadronterapia) o el control y diagnóstico de plasma en dispositivos de fusión nuclear.
El nuevo estudio, publicado en Physical Review A por un equipo de investigadores del Departamento de Química de la UAM, fue realizado con métodos de química computacional que permiten describir con precisión la estructura electrónica de la molécula de nitrógeno. Además, el estudio tuvo en cuenta las posibles orientaciones de la molécula con respecto a la trayectoria del ion (proyectil) y el movimiento vibracional de los núcleos de nitrógeno.
Los procesos de neutralización entre iones y moléculas que ocurren a energías bajas e intermedias (que corresponden a velocidades de los iones menores de unos 1.300 km/s), implican la reorganización de los electrones de la molécula, acompañada de la pérdida de alguno de ellos al ser capturado por el proyectil. Estos eventos están gobernados por transiciones electrónicas, cuya descripción precisa se realiza mediante funciones de onda obtenidas con métodos de química computacional.
Los resultados muestran que si la velocidad de los protones es inferior a 620 km/s, los eventos de intercambio de carga dan lugar a átomos de hidrógeno y a iones moleculares de nitrógeno en su estado electrónico fundamental. A mayores velocidades, en cambio, se obtienen iones de nitrógeno moleculares en diversos estados electrónicos excitados.
El estudio también determinó que las interacciones más importantes entre ion y molécula tienen lugar cuando la distancia entre ambos es de unos 0.3 nanómetros (nm); una distancia suficientemente grande como para que la molécula aparezca esférica ante el ion.
El seguimiento detallado de la vibración de los núcleos durante la colisión ion-molécula, permitió a los investigadores comprobar que se puede simplificar el tratamiento teórico usando una colección de trayectorias nucleares. Esto resultará de gran utilidad a la hora de estudiar sistemas más complejos, como las reacciones entre iones y moléculas de interés biológico.
En general, los cálculos de secciones eficaces de los procesos que ocurren en colisiones de iones con moléculas son imprescindibles en los modelos cinéticos que se utilizan en campos tan diversos como astrofísica, fusión nuclear (futuro ITER), física de la atmósfera y, últimamente, en medicina, concretamente en hadronterapia del cáncer.
Referencia bibliográfica:
E. Rozsályi, L. F. Errea, L. Méndez, I. Rabadán. "Ab initio calculation of charge transfer in proton collisions with N2". Phys. Rev. A 85, 042701, 2012.
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