Las reacciones químicas en superficies se pueden controlar por ordenador

Determinar los mecanismos detrás de tales reacciones es mucho más que un frívolo ejercicio académico; las reacciones de moléculas en fase gas con metales tienen una tremenda importancia práctica, ya que la producción de la mayoría de los componentes sintéticos involucra, en mayor o menor medida, tales reacciones.

De hecho, uno de los logros reconocidos por el premio Nobel de Química en 2007, otorgado a Gehard Ertl, fue la descripción detallada de la secuencia de las reacciones elementales molécula-superficie, a través de las cuales grandes cantidades de amoniaco son producidas para su uso en fertilizantes.

Hasta ahora los científicos sólo podían hacer predicciones semi-cuantitativas sobre las reacciones molécula-superficie. Pero un reciente avance, ha permitido dar un importante paso hacia un entendimiento cuantitativo de cómo las moléculas interaccionan con las superficies.

El equipo de científicos, entre los que figura Cristina Díaz del Departamento de Química de la UAM, demostrado que una clase importante de reacciones molécula-superficie (la disociación de hidrógeno molecular, H2, en superficies metálicas) ahora puede ser modelado con ordenadores “con precisión química”.

Precisión química

Por precisión química se entiende que la energía de interacción entre la molécula y la superficie puede ser calculada con un error menor a 1 kcal/mol. Una kcal es “la caloría de nuestra dieta”, y el mol es la unidad típica usada por los químicos para medir cantidades de moléculas (un mol de agua pesa unos 18 gr.)

Una predicción teórica cuantitativamente correcta de las reacciones químicas requiere de una descripción muy precisa de las interacciones entre los átomos involucrados. En particular, conseguir precisión química para las reacciones en superficies representa un importante reto porque requiere simultáneamente de una descripción muy precisa de dos subsistemas muy diferentes: moléculas y superficies metálicas.

Actualmente la teoría permite estudiar la reacción de moléculas diatómicas (formada por 2 átomos) con superficies metálicas usando mecánica cuántica para describir el movimiento de los 6 grados de libertad de la molécula, aplicando las aproximaciones de Born-Oppenheimer y de superficie estática.

La precisión que se logra depende críticamente de la precisión de las fuerzas interatómicas, descritas por la llamada superficie de energía potencial (SEP). Las limitaciones inherentes al método (DFT-teoría del funcional de la densidad) disponible para calcular estas SEPs en el caso de las interacciones molécula-superficie, han impedido hasta la fecha una descripción cuantitativa de las reacciones catalizadas por superficies.

Este grupo internacional ha desarrollado una implementación de la llamada aproximación SRP (parámetro específico de reacción) al método (DFT) estándar que permite una descripción cuantitativa de las interacciones molécula superficie.