Aportes novedosos al entendimiento de fenómenos magnéticos moleculares. Fundamentos y aplicaciones de una potente herramienta teórica

GUSTAVO A. AUCAR

Medellin

Conferencia; Conferencia Departamento de Química Universidad de Antioquia; 2017

Universidad de Antioquia

La aplicación de la física cuántica al mundo de las moléculas dió lugar a la así llamada química teórica, que a principios de los años ´30 ya se encontraba en un intenso proceso de desarrollo. La dificultad mayor no tenía que ver con los principios físicos fundamentales (conocidos) sino con su aplicación a sistemas que poseen muchos cuerpos, como son los átomos y las moléculas. La magnitud de esta dificultad hizo a que se demorara décadas en alcanzar la maduración de esta área del conocimiento. En los años ´80 se demostró que cuando los sistemas moleculares contienen átomos pesados o semipesados, se deben introducir los principios de la relatividad y por tanto, desarrollar y aplicar formalismos distintos a los basados en la ecuación de Schroedinger. Esto requirió la elaboración de nuevas teorías y modelos con sus implementaciones en códigos computacionales que dieron lugar a un área ya consolidada, denominada química cuántica relativista. [1] Por nombrar solo algunos, la función de onda ya no es escalar sino que contiene cuatro componentes y el hamiltoniano utilizado para describir el sistema ya no es el de Schroedinger sino uno efectivo que se basa en el de Dirac.Hacia mediados de los años 50 se descubrió la resonancia magnética nuclear (RMN), uno de los fenómenos de origen magnético y puramente cuántico de mayor aplicación en la historia de la ciencia moderna (desde las imágenes de RMN aplicadas en medicina hasta la descripción de la estructura de moléculas de ADN o de la dinámica de biomacromoleculas, la catálisis enzimática, el enlazamiento de ligandos, etc). Los mecanismos electrónicos subyacentes a este fenómeno para sistemas con átomos livianos fueron descriptos entre 1953 y 1960, y a fines de los años ´70 y principios de los ´90 [2] para sistemas con átomos pesados. En este seminario haré una presentación general y lo más básica posible del fenómeno de la RMN (cuyas aplicaciones parecen no tener límites) y de otros fenómenos moleculares relacionados, y de algunas teorías y modelos que los describen, en cuyo desarrollo participé activamente durante los últimos 25 años. [3] Subrayaré los aspectos más sobresalientes de la teoría de propagadores de polarización partiendo de los principios que la definen y de los elementos que se utilizan para el análisis de sus resultados. Mostraré resultados de estudios recientes de propiedades magnéticas en fragmentos de ADN, sistemas con enlaces de hidrógeno, sistemas moleculares extendidos y de los efectos relativistas en propiedades magnéticas. Algunas de las preguntas a las que tratamos de responder son: qué elementos de la estructura electrónica participan de la transmisión de las interacciones magnéticas en diferentes sistemas moleculares? Cual es la naturaleza magnética de los enlaces de hidrógeno? Qué novedades aparecen cuando se incluyen los efectos de la relatividad en la química teórica? Cual es el alcance de las interacciones magnéticas moleculares? La robustez y potencialidad de la química teórica aplicada al estudio de propiedades magnéticas moleculares quedarán en evidencia, dada la precisión de nuestros resultados y el nivel de entendimiento obtenible a partir del análisis de los fenómenos mencionados.1. M. Reiher y A. Wolf. ?Relativistic Quantum Chemistry: The Fundamental Theory of Molecular Science?. Wiley. 2015; P. Pyykko:?The physics behind chemistry, and the Periodic Table?.Chem.Rev. 112, 371 (2012).2. P Pyykko Ch.em. Phys. 22. 289 (1977); G A Aucar y J Oddershede. Int. J. Quant Chem. 47 425 (1993).3. G. A. Aucar, R. H. Romero y A. F. Maldonado: ?Polarization propagators: A powerful theoretical tool for a deeper understanding of NMR spectroscopic parameters?. Int. Rev. In Phys. Chem. 29, 1-64 (2010); G. A. Aucar: ?Toward a QFT-based theory of atomic and molecular properties?. Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 4420-4438 (2014).