El tunelamiento cuántico podría ocurrir en Titán

Datos del artículo científico del que hablaremos en este astrobito: Título: Quantum tunnelling could enable proton transfer reactions on Titan Autoría: Henry W. Longo, Richard C. Remsing Institución de la primer autor: Department of Chemistry and Chemical Biology, Rutgers University, Piscataway, Estados Unidos Estado: Acceso abierto en arXiv

Titán, la luna más grande de Saturno, comparte algunas características con la Tierra primitiva, como una atmósfera densa, líquidos superficiales estables y una amplia gama de moléculas orgánicas, incluidos hidrocarburos líquidos. Estas similitudes convierten a Titán en un candidato ideal para estudiar cómo podría haber sido la química prebiótica, o incluso para estudiar el potencial de albergar vida que tienen otros cuerpos más allá de la Tierra.

Sin embargo, la analogía tiene un límite ya que el entorno gélido de Titán, en principio, no proporciona la energía térmica necesaria para fomentar reacciones químicas. En otras palabras, las temperaturas son tan bajas (~94 K) que las moléculas no alcanzan a reaccionar entre sí. Pero, ¿qué tal que la temperatura no sea el único factor que facilite la química en ambientes como el de Titan? Pues en este astrobito te contamos cómo el tunelamiento cuántico podría permitir reacciones químicas bajo estas condiciones tan adversas.

Tunelamiento cuántico

El tunelamiento cuántico es un fenómeno predicho por la mecánica cuántica en el que las partículas atraviesan barreras de energía en lugar de sobrepasarlas (Figura 1). Por ejemplo, para que dos moléculas reaccionen, estas necesitan superar una barrera energética en la que se rompen y forman enlaces atómicos para finalmente llegar al producto de la reacción. Este proceso se facilita a altas temperaturas, ya que las moléculas se pueden reorganizar más fácilmente y por ende superar la barrera energética.

A bajas temperaturas, sin embargo, las moléculas se mueven más lentamente y no tienen la energía suficiente para romper y formar nuevos enlaces. Es aquí donde el tunelamiento cuántico juega un papel clave al permitir que las moléculas en lugar de querer sobrepasar la barrera energética, la atraviesan dando paso a la formación de los productos como se ve en la Figura 1. En otras palabras, el tunelamiento cuántico es un “atajo” para las reacciones químicas que se facilita a bajas temperaturas. Este fenómeno cuántico es particularmente importante para reacciones que involucran núcleos ligeros, como el hidrógeno, que pueden exhibir efectos de tunelamiento pronunciados.

Por lo tanto, en el espacio, el tunelamiento cuántico podría permitir reacciones químicas en ambientes fríos, como las nubes interestelares y lunas heladas como Titán. Esto tiene profundas implicaciones para la astroquímica, al sugerir que moléculas orgánicas complejas podrían formarse en condiciones que antes se consideraban demasiado extremas para la actividad química.

Simulando la química en Titán

Para explorar el potencial del tunelamiento cuántico como facilitador de reacciones químicas en Titán, el equipo de investigación de este artículo empleó simulaciones de química cuántica avanzadas. Esto les permitió investigar qué tanto se facilita la transferencia de protones en entornos similares al de Titán. La transferencia de protones son reacciones químicas que implican el movimiento de protones (iones de hidrógeno cargados positivamente) entre moléculas, lo que es crucial en muchos sistemas biológicos, facilitando procesos como la respiración celular y la fotosíntesis. 

Normalmente, los protones deben superar una barrera energética para pasar de una molécula a otra (como la barrera en la Figura 1). Dicho de otra manera, necesitan una cierta “energía mínima” para poder llevar a cabo la reacción. A temperaturas similares a las de la Tierra, la energía térmica es suficiente para ayudar a los protones a superar estas barreras. Sin embargo, en ambientes más fríos como Titán, la activación térmica tradicional es insuficiente.

Las simulaciones realizadas en el artículo demuestran que el tunelamiento cuántico facilita significativamente la transferencia de protones incluso a las gélidas temperaturas de Titán. La Figura 2 muestra los diagramas de distribución de probabilidad de transferencia de protones entre reactivos y productos a 94 K (izquierda) y 300 K (derecha), temperaturas que simulan las condiciones estándar de Titán y la Tierra, respectivamente. Las líneas en la figura representan las moléculas que disponen del protón que se va a transferir a lo largo de la reacción. En la línea amarilla, el reactivo tiene el protón, en la azul el producto, y la roja representa la transición del protón de una molécula a otra.

A 300 K, la distribución unimodal de la línea roja a la mitad de la figura indica un claro estado de transición en el que las moléculas amarilla y azul están formando y rompiendo enlaces para transferir el protón (en rojo). Este es el proceso general en el que las reacciones impulsadas por temperatura se dan. Por el contrario, a 94 K, el panel de la izquierda muestra una distribución bimodal, lo que sugiere que el protón se transfiere de una molécula a otra sin la formación del estado de transición presente en el diagrama a 300 K. Esto evidencia la presencia de tunelamiento cuántico en la reacción ya que muestra que el protón se encuentra en ambas moléculas “al mismo tiempo”.

Estos resultados proporcionan fuerte evidencia de que el tunelamiento cuántico puede darse a las bajas temperaturas de Titán, lo que potencialmente facilitaría reacciones químicas centrales que permiten la formación de moléculas más complejas.

Un nuevo túnel para entender la química en el espacio

Las implicaciones de estos hallazgos son importantes para la astrobiología y la ciencia planetaria. La presencia de reacciones impulsadas por tunelamiento cuántico en Titán podría sugerir que otros ambientes fríos en el sistema solar y más allá también podrían albergar una química compleja. Esto amplía la habitabilidad potencial de estas regiones.

Además, estos hallazgos resaltan la necesidad de incorporar efectos de tunelamiento cuántico en los modelos atmosféricos de planetas o lunas, ya que los modelos tradicionales pueden subestimar las velocidades de reacción de procesos clave que involucran núcleos ligeros. Por tanto, la inclusión del tunelamiento cuántico en estos modelos podría mejorar significativamente nuestra comprensión de la química atmosférica en Titán y otros cuerpos astronómicos fríos, lo que conducirá a predicciones más precisas de sus composiciones químicas y su potencial para sustentar vida.

A su vez, el estudio del tunelamiento cuántico en la química de Titán abre nuevas vías para la investigación de los orígenes de la vida y el desarrollo de modelos planetarios más precisos. A medida que continuamos explorando nuestro Universo, estos conocimientos podrían ayudar no sólo a comprender mejor los procesos químicos que ocurren en condiciones extremas sino a guiar nuestra búsqueda de vida extraterrestre.