FEMTOQUÍMICA

**Grupo integrado por:** - Irene López Asenjo - Miguel López Vergara - Hector Lodoso - Manuel López García - Alejandro Loriente - Isaac Lorero
 * __ ﻿ __**** FEMTOQUÍMICA **

**ÍNDICE:** 1. Introducción. 2. Precedentes. 3. Espectroscopio de Femtosegundos. 4. Ahmed Zewail y sus estudios. 5. Campos de Investigacion. 6. Conclusion. 7.Bibliografía.

**INTRODUCCIÓN: **
====La Cinética Química, es la rama de la Química que se encarga de estudiar las velocidades de reacción, es decir, la rapidez con que desaparecen los reactivos o se forman los productos en una reacción química. El estudio de las velocidades nos puede ayudar a comprender los mecanismos por lo que transcurre una reacción, esto es muy importante para la Química ya que así en lso procesos industiales podemos aumentar la velocidad o frenarla a nuestro beneficio. La mayor parte de las reacciones químicas globales complejas, desde la fotosíntesis a los procesos industriales, tiene lugar a través de varios pasos en los que los productos de cada etapa elemental son los reactivos de la siguiente. En cada etapa se rompen algunos enlaces químicos y se forman otros, generando especies intermediarias, inestables, que acabarán transformándose en los productos estables finales o en productos secundarios. ==== ====Estos intermediarios son de una importancia enorme en la determinación del curso de una reacción química porque son las especies más reactivas, y a pesar de que se hallan en muy pequeña concentración (alrededor de un millón de veces más diluidos que los reactivos o los productos) y tienen un tiempo de vida muy pequeño (entre 1 ms y 1 ps), conocer cuáles son y poder controlar su reactividad es la forma más eficaz de controlar una reacción química, y además nos aporta información y respuestas sobre el comportamiento de la materia. ==== ====En todo proceso de ruptura-formación de enlaces, se pasa por un estado de energía máxima que corresponde a los que se llama el complejo activado, una supermolécula formada por todos los átomos que participan de la reacción y cuya descomposición determina los productos que se forman. El complejo activado es el nudo más importante de toda reacción química, y su observación directa no se había logrado hasta los trabajos sobre femtoquímica. ==== ====La **femtoquímica** es una rama de la cinética química que explora los sucesos moleculares elementales involucrados en las reacciones químicas cuya observación requiere de una gran resolución en tiempo; es decir, que se producen a gran velocidad (del orden de 10-15 segundos, una milbillonésima parte de segundo). La femtoquímica permite comprender por qué determinadas reacciones químicas se llevan a cabo y otras no; también explica por qué las velocidades y el rendimiento de las reacciones químicas dependen de la temperatura, etc… Sus aplicaciones abarcan desde el descubrimiento de cómo funcionan los catalizadores y cómo deben ser diseñados los componentes electrónicos moleculares (nuevos materiales), hasta los mecanismos más delicados en los procesos de la vida, pasando por cómo deberán producirse las medicinas del futuro.====



====** PREDECENTES: **====

A comienzos del siglo 20, el estudio de la reactividad fue dominado por la cuestión: ¿Qué reacciones ocurren y cuáles son sus tasas de cinética?
====Ya **Arrhenius****,** autor de una de las primeras teorías sobre la cinética de las reacciones (Teoría del Complejo Activado), suponía que al iniciarse una reacción química se forma un complejo activado de alta energía de activación. Dio la descripción de los cambios en las tasas de reacciones químicas con la temperatura y formuló en 1889 la expresión de la constante de velocidad [k = A exp (-Ea/RT)], que tenía sus raíces en las ecuaciones de van't Hoff (1884).==== ====En 1918 **Lewis** propuso la **Teoría de Colision** basada en la teoría cinética de la materia, donde introducía modificaciones: los átomos, moléculas o iones que reaccionen deben de chocar con una energía suficiente, pero además, hay que tener en cuenta que la orientación de las moléculas, átomos o iones sea la adecuada para que reaccionen. Es lo que se llama choques eficaces.==== ====Posteriormente se desarrolló la Teoría del Estado de Transición, la cual, está basada en consideraciones termodinámicas. Esta teoría supone que la especie inestable de transición que se forma goza de buena parte de las propiedades de las moléculas.También a partir de ella puede suponerse, a efectos prácticos, que hay un equilibrio entre reactivos y estado de transición.====

====En la década de 1950, George Porter y Richard Norrish en Inglaterra, y Manfred Eigen en Alemania comienzan los estudios directos sobre intermediarios de reacción. Estos científicos obtuvieron el Premio Nobel de Química en 1967 por sus trabajos. Más tarde, entre 1960 y 1970, se pudo acelerar la detección y mejorar la sensibilidad para estudiar reacciones que tenían lugar en el nanosegundo y el picosegundo. Estos estudios básicos permitieron, entre otras cosas, detectar, caracterizar y conocer el origen de radicales libres y especies reactivas del oxígeno potencialmente peligrosas para la salud y los mecanismos químicos de su neutralización. También permitió investigar los procesos químicos atmosféricos, como la producción y destrucción de ozono, entre otros muchos. Todos estos estudios permitieron conocer la identidad química de los intermediarios de reacción. El avance de la femtoquímica con respecto a esto es que permite seguir el movimiento de los átomos en los intermediarios de reacción y en el complejo activado. Desde este punto de vista es un avance semejante al de la detección directa de los intermediarios de reacción: se puede "ver la película" de la ruptura y formación de enlaces en tiempo real, mientras está sucediendo. ====

**ESPECTROSCOPIO DE FEMTOSEGUNDOS (TÉCNICAS DE PULSO ULTRARRÁPIDO DE LÁSER):** ==== Una de las tecnicas básicas utilizadas en femtoquímica es el sistema conocido como espectroscopía de femtosegundos. Combina un láser de femtosegundos con una técnica espectroscópica de fotoemisión de dos fotones. En este método, dos o más pulsos ópticos con retardo variable entre ellos se utilizan para investigar los procesos ocurridos durante una reacción. El primer pulso (bomba) inicia la reacción rompiendo el vínculo que une los reactivos. El segundo pulso (sonda) se utiliza para interrogar a los avances de la reacción de un cierto período de tiempo después de la iniciación. Como la reacción avanza, la respuesta del sistema de reaccionar ante el pulso de la sonda va a cambiar. Escaneando continuamente el tiempo de retardo entre la bomba y los pulsos de la sonda y observar la respuesta, los trabajadores pueden seguir el progreso de la reacción en tiempo real. Las instantáneas individuales se combinan para producir un registro completo de la evolución temporal continua, com si fuera una película, en lo que puede denominarse femtoscopia. La rotura de enlaces químicos, y la forma o geometría, cambian con rapidez imponente. En cualquier fase, esta transformación ultrarrápida tiene lugar un proceso dinámico que implica el movimiento mecánico de electrones y núcleos atómicos. La velocidad del movimiento atómico es altísima, por ello para registrar la dinámica de escala atómica sobre una distancia de un angström, el tiempo medio requerido es de unos 100 fs. El acto mismo de tales movimientos atómicos como sus reacciones y el paso por sus estados de transición es el foco del campo de la femtoquimica. Con la resolución de tiempo de femtosegundos podemos observar estructuras lejos del equilibrio antes de sus movimientos vibrationales y rotatorios, o la reactividad. ==== ==== __Ejemplo de Aplicación:__ En los ordenadores y otros instrumentos electrónicos el rendimiento depende del grado en que los electrones se trasladan vía interfaces entre un conductor y el silicio. La dinámica del comportamiento electrónico es crítico para cualquier avance tecnológico. Ahora, un grupo de investigadores físicos del Lawrence Berkeley National, gracias al desarrollo de esta técnica, han podido observar y registrar el movimiento de los electrones entre un conductor y un aislante en una escala de tiempos de femtosegundos. ====

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[[image:http://doctorasmaa.jeeran.com/index-az_r2_c3.jpg width="356" height="293" align="right"]]** AHMED ZEWAIL Y SUS ESTUDIOS: **
====Ahmed H. Zewail nació en 1946 en Egipto donde creció y estudió en la Universidad de Alejandría. Continuó sus estudios en los EE.UU., graduándose como PhD en la Universidad de Pennsylvania en 1974. Después de dos años en la Universidad de California en Berkeley fue convocado a Caltech donde tiene la Cátedra Honorífica Linus Pauling de Químico-Física desde 1990. Zewail es ciudadano egipcio y americano. Fue investido Doctor Honoris Causa por la Universidad Complutense de Madrid en 2008.====

====Ahmed Zewail es el científico que más ha colaborado con el desarrollo de la femtoquímica, siendo pionero en el estudio de las reacciones químicas a través de flashes ultracortos para conseguir observar el transcurso de las reacciones a su verdadera velocidad. Por ello fue galardonado en 1999 con el Premio Nobel en química, recompensando así sus esfuerzos, que han supuesto una revolución tanto en la quimica como en las ciencias adyacentes.====

**Desarrollo de femtoquímica recompensado.**
====Al igual que un partido de fútbol no sería lo mismo sin las repeticiones a cámara lenta, con la química ocurre lo mismo. Ha sido la impaciencia de los cientificos por seguir las reacciones químicas de manera detallada lo que ha impulsado el desarrollo de tecnologías cada vez más avanzadas. Ahmed H. Zewail, ha estudiado los átomos y las moléculas en “la cámara lenta” durante una reacción y ha visto qué sucede realmente cuando los enlaces químicos se rompen y se crean los nuevos. La técnica que Zewail utiliza se puede describir como la cámara más rápida del mundo, una cámara que utiliza flashes de laser de tan corta duración que se alcanza la escala de tiempo a la que suceden las reacciones realmente - los femtosegundos (fs). Un femtosegundo es la unidad de tiempo que equivale a la milbillonésima parte de un segundo, es decir, 0,000000000000001 segundos. Esta área de la química-física se ha nombrado femtoquímica. Aunque la femtoquímica no nos permite entender porqué ocurren todas las reacciones pero si nos da la posibilidad de explicar el porqué la velocidad y la preoducción dependen de la temperatura. El espectroscopio de femtosegundos está siendo utilizado por investigadores en todo el mundo para el estudio de gases, líquidos, sólidos e incluso polímeros y superficies. El uso de la femtoquíca nos permite conocer desde como funcionan los catalizadores, pasando por como deberían ser diseñados los componentes electrónicos moleculares hasta como deberán ser producidos los medicamentos del futuro.====



**¿Cómo de rápidas son las reacciones químicas?**
====Las reacciones químicas presentan una amplio espectro de velocidades, como se puede observar en la diferencia de tiempo que implica la oxidación de un clavo y el estallido de la dinamita. En las reacciones, la velocidad aumenta cuando aumenta la temperatura, es decir, cuando el movimiento molecular es más violento. Los científicos supusieron que las moléculas tenían que ser activadas y que al superar una determinada barrera, reaccionaban. Cuando se produce el choque entre dos moléculas, normalmente no ocurre nada, únicamente rebotan, pero cuando la tempetarura aumenta lo suficiente, el choque es tan violento que las moléculas reaacionan y forman otras nuevas. Una vez que una molécula ha experimentado un aumento suficiente de temperatura, reacciona increíblemente rápido, con lo cual los vínculos químicos se rompen y se forman nuevos vínculos. Ésto también se aplica a las reacciones que aparentan ser lentas (ejemplo: el clavo que se oxida). La diferencia es que los golpes de temperatura ocurren raramente en una reacción lenta a diferencia que en una rápida. La barrera que las moléculas deben sobrepasar viene determinada únicamente por las fuerzas intermoleculares de las mismas, es decir, los vínculos químicos que se establecen entre sus partículas. Éste echo se asemeja a la barrera gravitacional que debe superar un cohete para salir de la órbita terrestre antes de ser capturado por el campo de fuerza de la Luna. Pero poco se sabía hasta hace poco de la trayectoria de la molécula cuando superaba la barrera y qué le sucede a la molécula realmente cuando se encuentra en dicha etapa, en su "estado de transicion".====

**Cien años de investigación.**
====Svante Arrhenius (premio Nobel en Química 1903), inspirado por el Van't Hoff (el primer premio Nobel en Química, 1901) presentó hace apenas 100 años una fórmula simple para la velocidad de la reacción en función de la temperatura. Pero ésta se refería al comportamiento de muchas moléculas (sistemas macroscópicos) y a escalas temporales relativamente largas. No fue hasta los años 30 cuando H. Eyring y M. Polanyi formularon una teoría basada en reacciones en los sistemas microscópicos de moléculas individuales. La suposición teórica era que el estado de transición se cruza muy rápidamente, en escala de tiempo que se aplica a las vibraciones moleculares. Nadie soñaba con que fuese posible realiza experimentos durante tan breves periodos de tiempo. Pero ésto fue exactamente lo que hizo Zewail. A finales de los años 80 realizó una serie de experimentos que llevaron al nacimiento del área de investigación llamada femtoquímica. Ésto implica usar una cámara de alta velocidad para captar a las moléculas en el curso real de las reacciones e intentar capturar fotogramas de éstas en el estado de transición. La cámara fue basada en la nueva tecnología láser con los flashes ligeros de algunos femtosegundos. El tiempo que emplean los átomos en una molécula para realizar una vibración es normalmente 10-100 fs, por ello las reacciones químicas deben ocurrir en la misma escala de tiempo que cuando los átomos oscilan en las moléculas.==== ====¿Qué es lo que vieron los químicos cuando la resolución fue mejorada progresivamente? El primer éxito fue el descubrimiento de las sustancias formadas a lo largo del proceso, en el trascurso de los reactivos al producto, a estas sustancias se las denominó intermedios. Al comienzo solo se observaban fragmentos relativamente estables de la molécula. Con cada mejora de la resolucion se observaron nuevos vínculos en la cadena de la reacción, es decir, intermedios cada vez mas efímeros, obteniendo así cada vez más información acerca de como es la reacción. La contribución por la cual Zewail recibió el Premio Nobel fue alcanzar el extremo del proceso, por lo que ninguna reacción ocurría a mayor velocidad. Con la espectroscopia del femtosegundo podemos observar por primera vez en “la cámara lenta” qué sucede mientras la barrera de la reacción se cruza.====

**Femtoquímica en la práctica.**
====Para realizar experimentos utilizando la técnica de la espectroscopía del femtosegundo es necesario que las reacciones moleculares ocurran en una cámara de vacío. Los dos pulsos del láser del espectroscopio inciden sobre la molécula; el pulso potente (bomba) excita la molécula rompiendo los vínculos de los reactivos, el pulso más débil (sonda) exámina los avances de la reaccón, detectando formas alteradas de la molécula original. (El pulso potente es la señal de salida para la reacción mientras que el pulso más débil examina qué está sucediendo). Variando el intervalo de tiempo entre los dos pulsos es posible ver cómo la molécula original se transforma rápidamente. Las nuevas formas que la molécula toma cuando es excitada, y que son detectadas por el pulso débil (sonda) tienen espectros únicos que puedan servir como huellas dactilares. Estudiando continuamente el tiempo de retardo entre la bomba y los pulsos de la sonda y observando los espectros originados, se puede seguir el progreso de la reacción en tiempo real. El intervalo de tiempo entre los pulsos se puede variar simplemente haciendo que el pulso débil sufra un desvio mediante espejos. No un desvío largo puesto que la luz cubre la distancia de 0,03 milímetros en 100 fs. Una vez obtenidos los resultados, el transcurso de tiempo y la "huella dactilar", se comparan con las simulaciones tabuladas gracias a los cálculos químicos del quántum de espectros y de energías para las moléculas en sus diversos estados.====

**Ejemplos de experimentos.**
====En uno de sus experimentos más importantes Zewail estudió la disociación del yoduro de sodio (NaI): NaI --> Na + I. El pulso potente excita los pares de ion Na+ I, (el cuál tiene una distancia de equilibrio de 2,8 Å entre los núcleos) a una forma activada [NaI] * en la que asume la vinculación covalente. Sin embargo, sus propiedades cambian cuando las moléculas siguen siendo sometidas al pulso potente; cuando los núcleos están a distancias mayores, 10-15 Å, la estructura electrónica indica un estado iónico, mientras que en las distancias cortas es covalente. Al pasar el punto 6,9 Å la molécula puede volver a formar el enlace o puede continuar separandose hasta alcanzar el punto de decaimiento (Estado de tierra) de los átomos de Sodio y Yodo.====



H + CO2 --> CO + OH, siendo ésta una reacción que ocurre en la atmósfera y en la combustión. Demostró que la reacción cruza un estado relativamente largo de HOCO (1 000 fs).
====Zewailmy sus compañeros trabajaron en el estudio de la disasociación del tetrafluordi-iodoetano (C2I2F4) en el tetrafluoretileno (C2F4) y dos átomos del yodo (i), para resolver una de cuestiones que más había intrigado a los cientÍficos en relación con la femtoquímica: ¿Se romperÁn simultáneamente dos enlaces equivalentes? o ¿Por qué ciertos vínculos son más radioactivos que otros?====

Descubrieron que los dos enlaces del CI, a pesar de su equivalencia en la molécula original, se rompen a la vez.
====Las investigaciones son realmente intersantes cuando se obtienen resultado insesperados, eso le ocurrió a Zewail cuando estudiaba la reacción entre el benceno (C6H6) y el yodo (I2). Las moléculas forman un complejo cuando están lo suficientemente cerca, perO cuando el flash del láser incide sobre en Benceno provoca la liberación de un electrón desde éste hasta el yodo, cargandose el yodo negativamente y el benceno de forma positiva. La atracción electronegativa por la diferencia de cargas provoca que el benceno y el átomo de yodo más cercano se atraigan y a su vez que los átomos del yodo se estiren hasta el punto que el otro átomo se rompe y se aleja libremente. Todo ésto sucede en 750 fs. Zewail encontró que ésta no es la única forma de formación de átomos individuales de yodo puesto que, a veces, el electrón vuelve al Benceno, pero ya es demasiado tarde para retener los átomos de yodo y el enlace que los une se rompe y se separan.====
 * ====[[image:http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1999/chemfig2l99.gif width="500" height="158" caption="Figure"]]==== ||

====Otra reacción muy estudiada por Zewail y sus compañeros es la formación de etileno a partir de un anillo de ciclobutano o viceversa. Zewail demostró que hay dos vías para llevar a cabo el proceso: La reacción puede ocurrir directamente, superando una única barrera de activación, pasando por un único Estado de Transición o también puede llevarse a acabo a través de dos etapas, superando dos barreras de activación y atravesando dos Estados de Transición, por medio de la creación de un intermediario como es el tetrametileno, con una vida media de 700 fs.====
 * [[image:http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1999/chemfig3l99.jpg width="500" height="162" caption="Figure 2"]] ||

====La foto-isomerización, otro ámbito de estudio de la Femtoquímica, estudia las conversiones de unas estructuras moleculares a otras porvocadas por la luz.. Zewail observó la conversión del estilbeno (2 anillos de benceno) de la forma -cis- a la forma -trans-. Durante el proceso, los dos anillos dan una vuelta sincrónica el uno respecto del otro.====

====Los investigadores concluyeron que durante el proceso los dos anillos de benceno dan una vuelta sincrónica uno respecto del otro. Algo similar ocurre con el pigmento de color en los bastones del ojo, ya que cuando percibimos la luz, el paso fotoquímico primario es la conversión -cis- -trans- alrededor de un enlace doble de la retinina. Con la espectroscopia del femtosegundo otros investigadores determinaron que el proceo dura unos 200 fs y que el producto de la reacción sigue teniendo cierta vibración, puesto que la energía del fotón emitido no se redistribuye, sino que se localiza en el doble enlace. Esto explica la alta eficiencia (el 70%) y por lo tanto la buena visión del ojo en la oscuridad.====

**Femtoquímica actual.**
====Actuálmente los trabajos que inició Zewail se están desarrolloando y son muchos los científicos que comienzan a centrar sus estudios en procesos femtoquimicos y no solo trabajando con haces de moleculas sino también con superficies, líquidos y polímeros. También destacan los estudios de sistemas biológicos. Teniendo un mayor conocimiento de los mecanismos de las reacciones podriamos ser capaces de controlarlas y dirigirlas hacia los enlaces deseados, reduciendo asi la necesidad de separar y limpiar los productos indeseados.==== ====La femtoquímica ha cambiado mucho nuestra concepción de las reacciones químicas. Hemos pasado de describir los sucesos con metáforas como "activación", "Estado de transición" o "barrera" a poder ver las variaciones que sufren las moléculas en directo, o a través de fotogramas. Es decir, pasamos de ideas a imágenes y es por ello que los estudios de Zewail han suspuesto un avance de tan enorme importancia, de manera que si disponemos de un espectroscóspio de femtosegundos, únicamente nuestra imaginación fija los límites.====

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**CAMPOS DE INVESTIGACIÓN:**

-__Reacciones elementales__: Se estudian aspectos como las dinámicas de ruptura-formación de enlaces, el estado de transición, etc…
====-__Química orgánica__: gracias a las nuevas técnicas de espectometría y KETOF (fs-resolved kinetic-energy-time-of-flight) se ha podido avanzar mucho en el estudio de los mecanismos de las reacciones de isomerización, sustitución nucleófila, adiciones pericíclicas y reacciones de Norrysh del tipo I y II.==== ====-__Transferencias de electrones y protones__: se examina la trasnferencia de electrones y protones tanto a nivel intramolecular como bimolecular. Se estudian también fenómenos relacionados con las pares de bases del ADN.==== ====-__Química inorgánica y atmosférica__: se estudia la importancia de los procesos antes descritos en las características de metales y otros con la finalidad de mejorar su procesado. Asimismo estudiamos la dinámica de producción del átomo de cloro, de OCLO, una reacción de importancia para evitar el agotamiento del ozono.====

-__Estudio de nanoestructuras y su comportamiento__: En polímeros, se estudian sus nanocavidades.
====-__Fluídos densos y líquidos__: en esta área de investigación se estudian las reacciones en fluídos densos y se comparan con las dinámicas de los líquidos. Se atiende también con minucioso detalle al paso de un líquido a gas, o por el contrario su condensación, o incluso sublimaciones etc…====



** CONCLUSIÓN: **
====La técnica esta siendo utilizada para el estudio de procesos biológicos complejos como la fotosíntesis o el mecanismo de la visión, en lo que ha dado a llamarse femtobiología, un ámbito muy importante de la femtoquímica en pleno auge.==== ====Una reacción química a menudo viene acompañada de otras secundarias que compiten con la reacción principal, dando lugar a una mezcla de productos que hay que separar y purificar. Gracias al uso de pulsos laser de femtosegundo, cuya forma se puede moldear, ha hecho posible controlar el destino de una reacción frente a otras.==== ====Siguiendo los estudios de Zewail sobre los femtosegundos, se estan llevando a cabo estudios catalíticos con haces moleculares sobre superficies, con el fin de comprender los mecanismos de catálisis en líquidos y solventes, para entender los mecanismos de disolución y las reacciones entre las sustancias en solución, asi como los polímeros, para llevar a cabo el desarrollo de nuevos materiales que puedan ser usados en la electrónica.==== ====Actualmente se analizan sistemas biológicos, y se espera aplicar técnicas de difracción electrónica en la escala de femtosegundos. Con estas técnicas de difracción sería posible el estudio estrctural de cristales y moleculas complejas en relación con el tiempo de su fromación.==== ====Gracias a la femtoquímica ahora podemos ver los movimientos de los átomos individuales como los imaginamos, ya no son invisibles. Con la cámara más rápida disponible solo la imaginación limitará en la solución de nuevos retos de la cienca actual.==== ====La importancia de la femtoquímica como nueva rama de la investigación científica queda patente en el financiamiento por parte de las autoridades del Instituto de Tecnología de California y de la NSF, para la puesta en marcha del laboratorio de ciencias moleculares, dirigido por Zewail, que dispone de una serie de laboratorios dedicados a la femtoquímica y la femtobiología. Este nuevo centro se dedica a la investigación en temas tan diversos como dinámica molecular de reacciones en fase gaseosa, nanoestructuras, cavidades, sin olvidar el desarrollo de nuevas tecnologías.====

** BIBLIOGRAFÍA: ** 1. []

7.http://en.wikipedia.org/wiki/Femtochemistry
8. []