La invisibilidad de lo inmóvil - Ran Tivony

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Muchos de los objetos inanimados que nos rodean parecen completamente inmóviles. Pero mirando más detenidamente, en su estructura atómica, observamos un mundo en constante cambio, con enlaces atómicos que se estiran, se comprimen, átomos que cambian de órbita, son inestables y que están a la deriva por doquier. Ran Tyvony describe cómo y por qué ocurre el movimiento molecular e investiga si este puede parar.

Lección de Ran Tivony, animación de Zedem Media.

Muchos de los objetos
inanimados que te rodean

quizás parecen completamente inmóviles.

Pero mira atentamente la estructura
atómica de cualquiera de ellos

y verás un mundo en constante cambio.

Átomos con enlaces atómicos
que se estiran, se comprimen,

que cambian de órbita,
que son inestables

o están a la deriva por doquier.

Y a pesar de que el movimiento
puede parecer caótico, no lo es.

Los átomos están unidos entre sí,

algo intrínseco para
casi todos los elementos

y se desplazan según
un set de principios.

Por ejemplo, veamos las moléculas
con átomos unidos por enlaces covalentes.

Hay tres movimientos básicas
de las moléculas:

rotación, traslación y vibración.

La rotación y la traslación
desplazan una molécula en el espacio

mientras que sus átomos
permanecen a la misma distancia.

Sin embargo, la vibración
modifica esas distancias,

de modo que realmente altera
la forma de la molécula.

Cualquier molécula tiene un número
diferente de maneras de moverse

que corresponde
a sus grados de libertad,

que en el contexto de la mecánica

básicamente significa el número
de variables a tener en cuenta

para entender el sistema completo.

El espacio tridimensional está
definido por los tres ejes X, Y, Z.

La traslación permite el movimiento
molecular en cualquier dirección.

Es decir, tres grados de libertad.

También puede girar alrededor
de cualquiera de estos tres ejes.

Esto añade tres más,

a menos que sea una molécula lineal,
como el dióxido de carbono.

Allí, una de las rotaciones
simplemente hace girar

la molécula alrededor de su propio eje,

lo que no cuenta, ya que la posición
de los átomos permanece igual.

La vibración es donde
todo se complica un poco.

Tomemos una molécula simple,
como el hidrógeno.

La longitud de enlace atómico
está cambiando constantemente

como si fuera que los átomos
estén conectados por un resorte.

Ese cambio es pequeño, menos de
una mil millonésima parte de un metro.

Cuanto más átomos y enlaces moleculares,
más maneras de vibración.

Por ejemplo, una molécula
de agua tiene tres átomos:

un átomo de oxígeno, dos
de hidrógeno y dos enlaces.

Eso le otorga tres modos de vibración:

estiramiento simétrico,
asimétrico y flexión.

Las moléculas más complejas tienen
modos de vibración más elegantes,

como el balanceo, el aleteo y la torsión.

Si sabes cuántos átomos
tiene una molécula,

puedes contar sus modos de vibración.

Comienza con el total
de sus grados de libertad

que es tres veces el número
de átomos de la molécula

y se debe a la posibilidad de cada átomo
de moverse en 3 direcciones diferentes.

Tres de ellas corresponden
al movimiento de traslación

cuando todos los átomos
se desplazan en la misma dirección.

Y 3, o 2 para las moléculas lineales,
corresponden a las rotaciones.

El resto, 3N-6 o 3N-5
para moléculas lineales,

son vibraciones.

Entonces, ¿qué provoca
todo este movimiento?

Las moléculas se mueven, ya que
absorben energía de su entorno,

principalmente en forma de calor
o radiación electromagnética.

Cuando esta energía
se transfiere a las moléculas

estas vibran, giran
o se trasladan más rápido.

Un movimiento más rápido incrementa
la energía cinética molecular y atómica.

Esto representa un aumento en
la temperatura y energía térmica

y es el fenómeno que usa el horno
de microondas para calentar la comida.

El horno emite radiación de microondas
que es absorbida por las moléculas,

especialmente las de agua,

que empiezan a moverse cada vez
más rápido chocando entre sí

y aumentando la temperatura
de la comida y la energía térmica.

El efecto invernadero es otro ejemplo.

Parte de la radiación solar que
llega a la superficie terrestre

vuelve reflejada a la atmósfera.

Los gases de efecto invernadero,
como el vapor y el dióxido de carbono,

absorben esta radiación
y se ponen en movimiento.

Estas moléculas, ahora
más calientes y rápidas

emiten radiación infrarroja
en todas las direcciones,

Incluso en dirección a la Tierra,
llevando al calentamiento de la misma.

¿Podemos parar todo
este movimiento molecular?

Creerías que si al cero absoluto,

la temperatura más baja.

Nunca se logró enfriar nada
hasta esta temperatura,

pero incluso si se pudiera,

las moléculas seguirían en movimiento

debido a un principio mecánico cuántico
llamado energía del punto cero.

En otras palabras,

todo lo que ha estado en movimiento
desde los albores del universo,

continuará haciéndolo

mucho después de que nos hayamos ido.