Abrazos entre átomos

Los enlaces químicos son responsables de las interacciones entre átomos moléculas e iones que hacen que las estructuras químicas de las moléculas se mantengan estables. En el Departamento de Física, Roberto Bochicchio estudia estas interacciones que dan lugar a la estructura molecular.

Imagen: Representación gráfica de la molécula de agua. 

Dentro del marco del grupo de Estructura Electrónica Molecular, en el que se desarrollan métodos para estudiar la estructura electrónica molecular y su respuesta magnética, el profesor Roberto Bochicchio estudia cómo extraer información físico-química de sistemas atómicos y moleculares a partir de unos pocos parámetros asociados a la distribución de partículas y agujeros.

“Mi investigación se ubica en el área de la teoría cuántica de átomos y moléculas”, se presenta el investigador. Su objeto de estudio es la manifestación de las interacciones coulombianas entre los electrones y los núcleos, que dan lugar a la estructura molecular.

“Con la información obtenida buscamos entender las interacciones que dan lugar a determinadas estructuras mediante los comúnmente denominados enlaces químicos. Los más conocidos son los llamados enlaces covalente e iónicos, pero el avance de la teoría y la capacidad tecnológica para realizar cálculos permitieron conocer nuevas formas que se agregan a las mencionadas con fuerte correlato experimental, como por ejemplo, enlaces de dos electrones en tres centros, puentes de hidrógeno, enlaces halógenos y enlaces de retro-donación, entre otros”, explica Bochicchio.

Aun los más ajenos al tema, alguna vez hemos oído hablar de enlaces químicos, la unión de dos o más átomos que se produce para que el elemento alcance la estabilidad. La atracción que mantiene juntos a los elementos que conforman un compuesto se produce por la interacción de los electrones, ya sea entre ellos o con los núcleos. Estos electrones son, fundamentalmente, los que ocupan los orbitales exteriores. “Las interacciones iónicas se interpretan como una atracción electrostática que se produce entre ciertos átomos, cuando algunos ceden y otros aceptan electrones, creando zonas con marcada diferencia de carga eléctrica. Las covalentes, en cambio, solo se explican por la naturaleza cuántica de los electrones que dan lugar a la denominada interacción de intercambio que se conoce como compartir electrones, o dicho de la manera más tradicional, conformar un fenómeno de apareamiento electrónico”, aclara Bochicchio. La magnitud física que contiene toda la información del sistema es la densidad electrónica, y el análisis de su comportamiento y sus características de apareamiento y desapareamiento le permite a los investigadores estudiar cualquier tipo de interacción, además de las mencionadas. “Mediante la aplicación de modelos matemáticos de topología es posible observar el detalle de muchas otras formas de interacción en la distribución electrónica que se denominan patrones complejos del enlace”, dice Bochicchio. Los enlaces de dos electrones en tres centros, por ejemplo, en los que tres átomos comparten dos electrones, son una interacción típica, aunque no única, en sistemas con deficiencia de electrones. El puente de hidrógeno, por su parte, es un tipo de interacción producida a partir de la atracción que existe entre un átomo de hidrógeno y un átomo de oxígeno, flúor o nitrógeno con carga negativa. Éstos aparecen en el ADN, el agua y las proteínas, por ejemplo, y su intensidad es muy débil si se la compara con las covalentes. Los enlaces halógenos pueden detectarse entre elementos como el cloro, bromo, iodo o flúor, y se producen cuando un átomo halógeno como los mencionados, actúa como una especie electrofílica, es decir atrae electrones. Por último, el fenómeno de la retrodonación involucra interacciones entre un átomo metálico que aumenta su densidad electrónica por la formación del enlace con los ligantes que, en general, son grupos que contiene átomos de carbono, y tiende a disminuirla devolviendo partes de esta densidad electrónica al ligante por una vía diferente a la primera.

“La naturaleza de nuestro trabajo es teórico-computacional. Papel, lápiz y computadoras”, comenta Bochicchio. “En general, desde la teoría se intenta explicar lo que muestra la experiencia. En nuestro caso, observar si los modelos que proponemos dan cuenta de los resultados que la experimentación nos provee. Así, desde el éxito en ejemplos sencillos se puede avanzar a situaciones más complejas. Si lo asociamos a lo que dijimos arriba, una vez que somos capaces de describir adecuadamente las interacciones covalentes e iónicas, podemos intentar el desafío de describir, dentro de la formalización propuesta, las interacciones más complejas”, sostiene.

Pero si bien el trabajo se enmarca en lo teórico, “los ladrillos de la materia ordinaria son los átomos y moléculas; cualquier aplicación, desde la ciencia de materiales hasta el diseño de drogas farmacológicas, por mencionar algunas, tiene como basamento a estas modelizaciones. De hecho, hay muchos proyectos en desarrollo en la amplia literatura de las áreas asociadas a la química, física y biología y sus interdisciplinas, que utilizan los resultados para entender y ayudarse en la determinación de las estructuras involucradas en cada fenómeno de interés”, concluye.

Grupo de Estructura Electrónica Molecular (Departamento de Física)
Oficina 2175, 2do. piso, Pabellón I. Tel.: 4576-3390, interno 802.
Dirección: Roberto C. Bochicchio
Integrante: Rosana M. Lobayan (Universidad Nacional del Nordeste, Corrientes)
Tesista de doctorado: Ramón A. Miranda-Quintana (Univ. La Habana)