Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
Program 2014-15
¿Cómo fluye la energía dentro de las moléculas? Reglas del caos dinámico
Resumen de la conferencia por:

Jesús Santamaría Antonio
Doctor en Ciencias Químicas (1974) y Catedrático de Química Física desde 1983. Becario Fulbright en la Universidad de California Irvine (1975-77) y becario NATO en la Universidad de Cornell (1984). Profesor visitante en las Universidades de Cornell (1980-87), UC Londres (1989) e Irvine (1990-91). Ha participado en proyectos y redes internacionales: NSF (1980-83), C. C. Hispano-Norteamericano (1985-88), varias Acciones integradas (1989-96), Redes ULTRA (2000-03) y DYNA (2005-10) de la ESF, Doctorado europeo Florencia-UCM (2005-11). Su investigación se centra en estudios teóricos de Dinámica Molecular de procesos químicos ultrarrápidos, en particular en presencia de campos láser pulsados (Femtoquímica). Ha sido Secretario de la RSE de Química (1983-86), Decano de la Facultad de C. Químicas de la UCM (1998-2006), miembro del Consejo Directivo del Laboratorio Europeo LENS de Florencia (2005-11) y ha coorganizado dos congresos internacionales en Femtoquímica (Femto5, Toledo 2001, y Femto10, Madrid 2011). Académico Numerario de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
 
Las moléculas son sistemas de átomos ligados, que se organizan como un conjunto de osciladores (tensiones, flexiones, etc.) anarmónicos acoplados, intercambiando energía mediante las leyes de la Dinámica no lineal (movimientos cuasiperiódicos y caóticos) cumpliéndose que las frecuencias de los mismos dependen de sus acciones físicas, como en el péndulo. Estos osciladores pueden ser normales (gran acoplamiento entre átomos, escasa anarmonicidad) o locales (caso contrario), cuya preferencia de uso depende de la energía total del sistema.

La transferencia de energía entre osciladores débilmente acoplados es sólo parcial cuando sus frecuencias no son conmensurables (paradoja de Fermi, Pasta y Ulam, 1955). Esta sorpresa ocurre a pesar de que los químicos, según la teoría RRKM (1952) habían razonado que las moléculas, excitadas en un modo local, redistribuyen rápidamente su energía en los diferentes modos de la molécula, para poder así explicar cómo se rompe una molécula por otro enlace distinto al primitivo. La explicación vino del teorema KAM (Kolmogorov, Arnold y Moser, 1954-1963) que aclara cómo de todas las superficies toroidales cerradas (toros) que delimitan el movimiento cuasiperiódico en el espacio fásico, sólo se destruyen (apareciendo el caos) aquellas que corresponden a frecuencias conmensurables, permaneciendo estables la restante gran mayoría, correspondientes a frecuencias inconmensurables (toros KAM), que permanecen algo deformadas en las proximidades de los toros invariantes. Al crecer la energía, aparece el caos global por solapamiento de resonancias, que ocurre al igualarse la anchura de la isla de la separatriz con la distancia entre resonancias próximas (criterio de Chirikov, 1960). Los físicos prestan más atención al número de constantes de movimiento que se conservan en los procesos dinámicos a medida que se modifica la estructura (bifurcaciones) del espacio fásico en presencia de resonancias entre frecuencias al crecer la energía, mientras que los químicos atienden a los mecanismos dinámicos concretos en función de acoplamientos, y anarmonicidades, factores que influyen en la Espectroscopía resuelta en el tiempo, en la Reactividad y en el Control de la dinámica mediante pulsos láser.

En esta comunicación se mostrará con ejemplos de moléculas sencillas (HX-R, HCF3, etc.) los mecanismos de transferencia de energía entre tensión y flexión, como consecuencia de las resonancias no lineales entre modos (resonancias de Fermi). También se discutirá por qué no es posible una química selectiva de enlaces, pero sí de sobretonos. Se citarán otros procesos más complejos: Fotosíntesis, etc. Finalmente se relacionará la transferencia intramolecular de energía con la Espectroscopía temporal y con la Dinámica en general (localización, caos, ergodicidad y origen de la irreversibilidad).