Esta es una historia improbable. Porque hasta hace menos de una década parecía imposible poder llegar a ver cómo se mueven los electrones en una molécula, rompiendo y formando sus enlaces, es decir, moviendo los hilos de la química. En ese mundo subatómico todo sucede increíblemente rápido: exactamente en cuestión de attosegundos, la trillonésima parte de un segundo (10-18). Y a esa escala, un segundo es un tiempo infinito.
Improbable también porque para ver y grabar el movimiento de algo tan pequeño y rápido se necesitan instalaciones enormes y superordenadores calculando durante años. Improbable, en definitiva, porque pocas veces sucede que un descubrimiento pueda cambiar la forma de practicar la química. Esta es, por tanto, una historia que requiere una profunda imaginación.
En 2001 se produjo un avance tecnológico que alteró ese improbable. Investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, en la ciudad alemana de Gotinga, generaron los primeros pulsos de luz de duración de attosegundos con láseres superrápidos. Para nosotros es un intervalo de tiempo irrelevante, pero en esos brevísimos instantes es cuando los electrones despliegan su ritmo natural. Por primera vez se disponía de la fuente de luz necesaria para verlos, y quizá, grabarlos.
La primera cámara de attosegundos
Ocho años después, un equipo liderado por los investigadores Fernando Martín, de la Universidad Autónoma de Madrid, Marcus Vrakking, del Instituto Max Born en Berlín y Mauro Nisoli, del Politécnico de Milán, diseñó la primera cámara de attosegundos capaz de ver el movimiento de los electrones en las moléculas. La primera película mostraba la intimidad a tiempo real de la molécula de hidrógeno, la más sencilla del universo.
El experimento se inspiraba en la cámara que el Nobel egipcio Ahmed Zewail había diseñado para ver el movimiento de los núcleos, pero con mayor resolución. En ella, un pulso de luz de attosegundos irradia una molécula e induce el movimiento de los electrones. En intervalos también de attosegundos, otro pulso ultraveloz toma fotografías que finalmente se proyectan de forma concatenada creando la ilusión del movimiento —como el del tren llegando a una estación, que tanto asombró a los espectadores de las primeras películas de los hermanos Lumière en 1896.
“La diferencia con una película normal es que para filmar algo que se mueve en tiempos tan cortos como los attosegundos, hay que tomar fotografías con unos tiempos de exposición que sean del mismo orden. De lo contrario saldrían movidas”, explica Martín.
Superar la complejidad técnica —estos láseres ocupan la planta entera de un edificio y tienen miles de piezas y dispositivos ópticos— fue posible por la combinación de las aportaciones de los tres científicos: Nisoli es pionero en el desarrollo de uno de los primeros pulsos de luz de attosegundos, Vrakking es experto en espectroscopía molecular y Martín lidera uno de los dos únicos grupos del mundo capaces de desarrollar herramientas de visualización, porque las películas que salen de estas cámaras no se entienden en absoluto, son solo manchas borrosas.
“Es un poco más complicado, pero la idea de base es la misma que en las películas en 3D: si no te pones las gafas que te dan en el cine, la imagen se ve borrosa. Tenemos que desarrollar el equivalente de unas gafas para traducir las imágenes en algo que entendamos”, continúa Martín. Estas herramientas se obtienen resolviendo la ecuación de Schrödinger, que gobierna el mundo atómico y subatómico de igual forma que las de Newton rigen en el macroscópico. Sin embargo son mucho más difíciles de resolver, especialmente en el caso de moléculas, y necesitan de supercomputadores. El equipo de Martín utilizó el Mare Nostrum, del Centro Nacional de Supercomputación en Barcelona. Los cálculos tardaron un año.
Controlar reacciones químicas
Cuatro años después, en 2014, Martín y Nisoli obtuvieron la primera película de una molécula con interés biológico, la fenilalanina, un aminoácido esencial. En el experimento apareció otro efecto improbable: además de ver el movimiento de los electrones en una molécula más compleja, los científicos comprobaron que con estos pulsos de luz podían, digamos, modificarlo a voluntad. Y ahora es cuando esta historia se adentra en un terreno que solo podemos imaginar. Porque como los enlaces entre distintos átomos se rompen o forman en función de lo que dicen los electrones, si estos se movieran de otra manera podrían romperse o formarse otros enlaces; es decir, la química resultante podría ser completamente distinta a la que conocemos.
“El objetivo es intentar controlar las reacciones químicas a voluntad; por ejemplo, forzar que algo reaccione porque un pulso de luz va a cambiar el movimiento de sus electrones, o lo contrario, que moléculas que reaccionan de manera espontánea dejen de hacerlo”, concluye Martín.
Estos descubrimientos están dando lugar a una nueva manera de hacer química basada en la utilización de láseres de attosegundos y supercomputación, para la que ya se ha acuñado un término: attoquímica. Aún queda mucho por avanzar hasta que se traduzca en técnicas que lleguen a los laboratorios. Mientras tanto, varios grupos investigan su aplicación en el grafeno, el nuevo material del que se dice que cambiará el mundo.
Eugenia Angulo
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