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El enlace químico es uno de los principios organizadores centrales del mundo microscópico. Determina cómo se combinan los átomos y, por lo tanto, gobierna una amplia gama de propiedades físicas y químicas de los sistemas cuánticos a través de muchas escalas de longitud, que van desde pequeñas moléculas y biomoléculas hasta materiales sólidos macroscópicamente grandes.
Sin embargo, a pesar de su importancia fundamental y de su destacado papel ya en la enseñanza de las ciencias en la escuela secundaria, los enlaces químicos siguen siendo sorprendentemente esquivos desde la perspectiva de la mecánica cuántica. Son indispensables para describir la materia, aunque no sean cantidades directamente observables.
En un reciente artículo publicado en Nature Communications, el grupo dirigido por el Dr. Christian Schilling, físico de la LMU y miembro del clúster de excelencia MCQST, aborda este antiguo reto utilizando conceptos de la teoría cuántica de la información.
Basándose en su experiencia en el entrelazamiento orbital en química cuántica, Christian Schilling y su estudiante de doctorado Lexin Ding, ahora becario de la ETH de Zúrich, junto con su colaborador Eduard Matito, del Centro Internacional de Física de Donostia (España), desarrollaron un nuevo marco para comprender el enlace químico a través del entrelazamiento cuántico.
Los investigadores introdujeron la noción de orbitales atómicos máximamente entrelazados (MEAO), cuyos patrones de entrelazamiento revelan las estructuras de enlace de las moléculas de forma natural y sistemática.
Sorprendentemente, el marco no sólo capta los enlaces bicéntricos convencionales descritos por las estructuras de Lewis, sino también fenómenos de enlace más complejos, como los enlaces multicéntricos, los sistemas aromáticos como el benceno y los patrones de enlace transitorios que surgen durante las reacciones químicas.
Estos diversos escenarios de enlace pueden describirse ahora dentro de un único marco unificado y completamente ab initio.
El trabajo revela una profunda conexión entre el enlace químico y el entrelazamiento cuántico y establece un lenguaje unificado y cuantitativo para describir los fenómenos de enlace. "En el futuro, el marco podría convertirse en una poderosa herramienta para estudiar sistemas moleculares complejos, reacciones químicas y mecanismos de enlace no convencionales para los que los enfoques tradicionales suelen fallar", afirma Schilling.
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