UN ION DE AGUA CADA VEZ: EN EL FRÍO, EL HIDRÓGENO LE GANA AL DEUTERIO

Entre las estrellas, en nubes donde la temperatura puede bajar a unos pocos kelvin —unos pocos grados por encima del cero absoluto—, la química funciona sobre todo mediante reacciones entre moléculas cargadas y neutras, que a menudo no necesitan energía para arrancar. Un protagonista clave es el catión de agua (una molécula de agua con carga positiva), H₂O⁺, un intermedio en el camino hacia el agua en el gas interestelar. Cuando se encuentra con HD —una molécula de hidrógeno en la que uno de los átomos es deuterio, la forma pesada del hidrógeno—, puede robar cualquiera de los dos átomos:

tomar el H y convertirse en H₃O⁺, liberando un D;
tomar el D y convertirse en H₂DO⁺, liberando un H.

El camino que siga determina cómo se reparte el deuterio entre las moléculas del espacio, su «fraccionamiento». Experimentos anteriores mostraron que este equilibrio depende mucho de la energía de la colisión, es decir, de la temperatura local.

Los laboratorios se quedaron en 350 kelvin

Las mediciones previas cubrían energías de colisión de 0,03 a 10 electronvoltios. La más baja, 0,03 eV, es la energía de colisión típica en un gas a unos 350 kelvin: órdenes de magnitud más caliente que las nubes moleculares frías. Extrapolar hacia abajo es arriesgado, sostienen los autores: en el frío, efectos cuánticos como el efecto túnel pueden volverse decisivos. El único dato a baja temperatura que conocen, 57 % frente a 43 % a favor del H₃O⁺, procedía de una trampa capaz de llegar a 13 kelvin, pero nunca se publicó la temperatura exacta de esa medición.

Un ion, una pareja

Nanditha Sunil Kumar, Prerna Paliwal, Stefan Willitsch y sus colegas de la Universidad de Basilea, junto con Anyang Li, de la Universidad del Noroeste en Xi’an (China), Hua Guo, de la Universidad de Nuevo México (EE. UU.), y otros, idearon una forma de observar la reacción molécula a molécula.

Su trampa de iones de radiofrecuencia está a 5,4 kelvin, dentro de dos escudos de radiación fríos, en un vacío de unos 4 × 10⁻¹⁴ milibares. Cada ciclo empieza con unas decenas de iones de calcio, enfriados con láseres hasta que se congelan en una disposición ordenada llamada cristal de Coulomb. Luego, un pulso láser convierte una molécula de un haz de vapor de agua en un único ion H₂O⁺ dentro del cristal. Los iones de calcio brillan bajo los láseres; el ion de agua no, así que aparece como un punto oscuro. Solo con interactuar con los fríos iones de calcio, se enfría hasta unas milésimas de kelvin. A continuación, el equipo expulsa los iones de calcio hasta que solo queda una pareja: un ion de calcio y un ion de agua.

A la izquierda, un dibujo en corte de la trampa criogénica cilíndrica con sus rayos láser; en el centro, cristales luminosos de iones de calcio que se reducen hasta un solo ion; a la derecha, un registro de la posición del ion de calcio que salta entre dos niveles y luego se estabiliza tras la reacción.

El montaje (izquierda), el cristal de calcio reducido a un ion de calcio y el ion de agua oscuro (centro), y el momento de la reacción: el ion de calcio deja de agitarse (derecha). — Figura 1, Sunil Kumar et al. (2026), arXiv:2610.32904.

Se deja entrar gas HD, con una pureza de alrededor del 97 %. Antes de llegar al ion, sus moléculas rebotan y se adhieren muchas veces a las paredes frías, hasta asentarse a los 5,4 kelvin de las paredes. La energía de colisión procede casi por completo del movimiento de las moléculas de HD, y el ion aporta muy poco: de media, 0,6 milielectronvoltios (el electronvoltio es una unidad de energía para partículas individuales), lo que corresponde a unos 7 kelvin en la misma escala que los 350 kelvin de más arriba.

Pesar el producto sin tocarlo

¿Cómo saber qué producto se formó? Por su masa. La pareja de iones vibra a lo largo de la trampa con una frecuencia que depende de la masa del ion oscuro: 531,9 kilohercios con H₂O⁺, 529,2 con H₃O⁺, 526,4 con H₂DO⁺. El equipo agita la pareja a 531,9 kHz; la imagen del ion de calcio se vuelve borrosa. Cuando el ion de agua reacciona, su masa cambia, la agitación deja de funcionar y la imagen se vuelve nítida. Probar las otras dos frecuencias revela el producto.

Una reacción suele producirse al cabo de unos 100 segundos. El hidrógeno residual en el vacío también puede convertir el ion en H₃O⁺, pero solo tras unas 4,5 horas de media, así que apenas afecta al recuento.

271 contra 170

En 16 días, el equipo registró 441 reacciones: 271 de H₃O⁺ y 170 de H₂DO⁺. Como alrededor del 3 % del gas era hidrógeno ordinario, H₂, que solo puede dar H₃O⁺, restaron su parte esperada. El resultado: una proporción de 1,50 ± 0,15, es decir, alrededor de un 60 % de H₃O⁺ frente a un 40 % de H₂DO⁺. En el frío gana la transferencia de hidrógeno, como ya se había visto a energías más altas, aunque con menos fuerza que a algunas de ellas.

A la izquierda, barras apiladas con los recuentos diarios de productos y las proporciones diarias; a la derecha, la proporción frente a la energía de colisión en escala logarítmica, con el nuevo punto muy a la izquierda de los datos anteriores.

Izquierda: los productos contados cada uno de los 16 días y la proporción diaria. Derecha: la proporción frente a la energía de colisión; la nueva medición (cuadrado azul) se sitúa a una energía muy inferior a la de los experimentos anteriores (gris) y junto a nuevas simulaciones (triángulos rojos). — Figura 2, Sunil Kumar et al. (2026), arXiv:2610.32904.

Atrapados en un pozo

Para interpretar el resultado, el equipo realizó simulaciones por ordenador de la colisión: 20.000 colisiones simuladas (trayectorias) para cada energía de colisión, de 0,9 milielectronvoltios a 0,9 electronvoltios. La proporción predicha aumenta con la energía, alcanza un máximo hacia 40 a 80 milielectronvoltios y luego baja.

Compiten dos mecanismos. A alta energía, la reacción es directa: el átomo es arrebatado en un único paso rápido, sin que los participantes se queden juntos. A baja energía, la mayoría de las colisiones quedan atrapadas un tiempo en una hondonada del paisaje energético —retenidas por su atracción mutua, como una canica en un hoyo— antes de reaccionar. Allí, la energía del impacto se reparte entre las vibraciones del complejo temporal, y la preferencia por el hidrógeno se diluye. Cuanto más vive el complejo, más débil es la preferencia: en las simulaciones a unos 10 kelvin, entre las colisiones que quedaron atrapadas, la proporción baja de 1,35 para las estancias más cortas a 1,21 para las más largas.

Una diferencia sin cerrar

Las simulaciones dan 1,15 a 0,9 milielectronvoltios (unos 10 kelvin); el experimento, 1,50. Los autores lo califican de acuerdo cualitativo. La diferencia puede deberse a efectos cuánticos que las simulaciones omiten, como el efecto túnel del hidrógeno, o a errores en el paisaje energético calculado. También puede venir del propio gas: por debajo de unos 10 kelvin, el H₂ y el HD podrían adherirse de forma distinta a las paredes y al carbón activado que sirve para bombear el gas residual; se desconoce cómo se comporta ese carbón a estas temperaturas. Si llega al ion más H₂ que el 3 % supuesto, escriben los autores, la proporción medida de 1,50 podría estar sobrestimada.