La química física es, en cierto sentido, la más amplia de las subdisciplinas químicas porque a menudo no es tanto una disciplina separada como una forma de abordar los problemas. Hay químicos en ciencia de materiales, química inorgánica y química orgánica que realizan trabajos de naturaleza muy física, y también hay químicos físicos cuyo trabajo es muy fundamental, es decir, a menudo indistinguible de la física química o atómica. Intentaré proporcionar algunos ejemplos en cada categoría, pero esto, por supuesto, estará lejos de ser exhaustivo, y no conozco todas estas áreas igualmente bien.
química física fundamental / física química:
– Dinámica de solvatación y mecanismos de clusters . Esta área o investigación se ocupa de los detalles finos del proceso de solvatación, un proceso que obviamente es de fundamental importancia para los químicos. Actualmente entendemos los conceptos básicos de estos procesos para sistemas de modelos simples (iones metálicos solvatados con una o dos capas de solvatación, por ejemplo), pero las tecnologías actuales son tales que es difícil pasar experimentalmente a complejos y sistemas más grandes. Esto es importante porque los grupos solvatados a menudo se promocionan como puentes entre las fases de gas y condensadas, y “observar” esa transición debería ser muy interesante. Buenas referencias (básicas) que tuve a mano son: (1) James M. Farrar (2003) Reactividad dependiente del tamaño en grupos de disolventes polares de iones metálicos de carcasa abierta: sondas espectroscópicas de acoplamiento de vibración electrónica, oxidación e ionización, Internacional Reviews in Physical Chemistry, 22: 4, 593-640 y (2) James M. Lisy (1997) Espectroscopía y estructura de iones de metales alcalinos solvatados, International Reviews in Physical Chemistry, 16: 3, 267-289
– Control cuántico, química selectiva de enlaces y fenómenos de coherencia. Todos estos temas pueden discutirse bajo el paraguas de la “dinámica cuántica en química”. Uno de los experimentos de sueño que tienen los químicos (o tal vez solo los espectroscopistas láser: p) es poder tomar una molécula como CH2ICl, hacer brillar un láser sintonizado a la frecuencia del modo vibratorio de estiramiento C-Cl y romper selectivamente el enlace C-Cl más fuerte en comparación con el enlace CI más débil. Este fue un experimento increíblemente difícil y casi sin esperanza durante muchos años porque la redistribución interna de energía dentro de las moléculas es tan rápida y eficiente que siempre se rompería el enlace CI. Los nuevos avances en láseres ultrarrápidos, modeladores de pulso y algoritmos de aprendizaje permitieron a las personas hacer esto y experimentos más complicados con éxito, pero aún es muy difícil y completamente poco práctico como herramienta para químicos sintéticos. Herschel Rabitz en Princeton hace un gran trabajo en esta área. Esta es una rama en el árbol de estudios fundamentales sobre “moléculas bajo estrés”, por ejemplo, moléculas bajo la influencia de varios tipos de campos. Hay mucho por hacer aquí.
quimica fisico-inorganica
Gran parte del trabajo aquí se centra en el uso de diversas espectroscopias (Mossbauer, ESR, MCD, absorción óptica, Raman, etc.) y varios sabores de DFT para resolver problemas mecanísticos en química inorgánica, particularmente para aplicaciones de catálisis. Los complejos de hierro son un área de investigación particularmente interesante pero difícil porque son económicos, tienen una rica paleta de químicos redox, pero no pueden estudiarse directamente con la herramienta favorita de los químicos de variedades de jardín, la RMN. Esta es un área de investigación muy activa para experimentadores, e involucra a personas que trabajan en escalas de tiempo de femtosegundos a milisegundos y más lento (trabajo de flujo detenido y aislamiento de matriz).
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química fisico-orgánica
Aunque no es una ciencia resuelta, la química orgánica “pura” se acerca de muchas maneras. Esto no se debe a ninguna superficialidad inherente al tema, sino al hecho de que durante gran parte de la vida moderna de la química, la química orgánica dominó absolutamente en términos de la cantidad de esfuerzos de investigación dedicados a ella. Dos excepciones son:
– Química radical . La gran mayoría de las reacciones proceden por transferencia de electrones por pares, y las que proceden por transferencia de un solo electrón u ocurren entre especies radicales exhiben algunas propiedades muy interesantes. Por ejemplo, las reacciones pericíclicas prohibidas por las reglas de simetría orbital de Woodward-Hoffmann se vuelven factibles con la oxidación de un solo electrón. Hay mucho trabajo mecanicista que hacer en esta área, tanto desde el lado teórico como experimental.
– combustión / dinámica de fase gaseosa. Los mecanismos radicales de reacción en cadena detrás de la combustión de hidrocarburos son complicados y siguen siendo un área activa de investigación. Una forma muy común de estudiar la combustión es con la espectroscopía Raman anti-stokes coherente (CARS). Los métodos de haz molecular son útiles para estudiar la dinámica de la reacción en fase gaseosa y el área con aplicabilidad obvia a la química atmosférica y estelar. Los problemas no resueltos aquí también son mecanicistas.
ciencia de los Materiales
– electrónica orgánica. La investigación en esta área se centra en tres temas: tecnologías de diodos emisores de luz orgánicos (OLED), dispositivos fotovoltaicos orgánicos (OPV) y transistores orgánicos. El problema OLED se ha “resuelto” en el sentido de que es una tecnología algo madura, pero quedan muchas preguntas fundamentales sobre la física del dispositivo (generación de carga, transporte y recombinación). El trabajo en polímeros conjugados para tecnologías OLED, por ejemplo, ha demostrado que está equivocado en algo de lo que se pensaba que estaba establecido en la fotoquímica orgánica, y los materiales OLED muestran una fotofísica rica que no se comprende completamente. La investigación detrás de las células solares orgánicas (la fotovoltaica) analiza muchas de las mismas preguntas que la investigación OLED, ya que una célula solar puede considerarse como un LED muy malo o uno que funciona a la inversa. El trabajo en transistores orgánicos se refiere principalmente a las propiedades de transporte de carga en materiales orgánicos.
– nanofubos de grafeno y carbono. Esta es un área relativamente nueva de investigación en ciencia de materiales. Todavía tenemos mucho que aprender sobre cómo se mueven los electrones en estos materiales, por qué hacen las cosas que hacen y qué tipo de propiedades podemos obtener de estos materiales. Muchas de las propiedades interesantes exhibidas por los nanotubos de carbono y el grafeno tienen un origen fundamental en el hecho de que los electrones en estos sistemas están muy fuertemente correlacionados, en marcado contraste con muchos semiconductores más comunes. El estudio de sistemas de electrones fuertemente correlacionados es de fundamental importancia en química y física, y de clara relevancia para la ciencia e ingeniería de materiales.
– Nanocristales semiconductores (“puntos cuánticos”). Estos tienen algunas propiedades interesantes con sus orígenes en su naturaleza como sistemas de confinamiento cuántico. La imagen física básica detrás de los puntos cuánticos está bien establecida, pero exhiben una fotofísica interesante que aún no se ha explicado (el fenómeno del parpadeo, por ejemplo, solo recibió una explicación plausible, y la pregunta no está necesariamente resuelta) .
