Una 'cámara' para fotografiar moléculas

El Premio Nobel de Química ha sido concedido este año a Ahmed H. Zewail, profesor de Química y de Física en el Instituto de Tecnología de California, por sus trabajos pioneros en femtoquímica y, en palabras de la Academia Sueca, "por sus estudios sobre los estados de transición de las reacciones químicas por medio de la espectroscopía de femtosegundo". La femtoquímica explora los sucesos moleculares elementales involucrados en las reacciones químicas, como son la ruptura y la formación de los enlaces químicos. La observación de tales fenómenos requiere una resolución temporal de pocas mil billonésimas de segundo o femtosegundos (un femtosegundo, que equivale a 10-15 segundos, es a un segundo como un segundo es a 32 millones de años).Un problema fundamental en las ciencias llamadas moleculares consiste en entender cómo estos sucesos básicos, que ocurren en la región de tránsito entre reactivos y productos, determinan el curso y evolución de la reacción química. Por tanto, sería deseable disponer de una cámara que permitiese obtener fotograma a fotograma la evolución de la reacción química en el tiempo y en el espacio, pasando por el estado de transición.

Láseres ultrarrápidos

A principio de los años 80, Zewail describió el concepto de femtoquímica y a finales de esa década, junto con sus colaboradores, llevó a cabo una serie de experimentos en los que como cámara utilizó láseres ultrarrápidos que producían pulsos de fotones de unas decenas de femtosegundo. Para conseguir una película molecular de la reacción química, un primer pulso láser de bombeo (disparo) da energía a las moléculas bajo forma de luz, y de ese modo se inicia la reacción y se define el origen de tiempos. El pulso de bombeo es seguido unos cuantos femtosegundos más tarde por un segundo pulso láser de sonda (diafragma de la cámara), cuyas características están seleccionadas adecuadamente para seguir el viaje temporal de la molécula desde su estado inicial hasta el estado final en forma de productos de reacción. De esa manera, para cada tiempo de retraso entre los dos pulsos láser (disparo y diafragma) se dispone de una imagen congelada del proceso químico.

La técnica fue aplicada originalmente por Zewail y sus colaboradores a investigar la ruptura de moléculas relativamente sencillas como el cianuro de yodo (ICN) o el yoduro de sodio (NaI). Durante la década de los 90, el grupo de Zewail ha aplicado la espectroscopía de femtosegundo al estudio de una gran variedad de reacciones químicas unimoleculares (disociaciones, isomerizaciones, transferencias de protón y electrón), bimoleculares (como la reacción ilustrada en la figura) y a procesos más complejos que son pilares de las reacciones involucradas en el mecanismo de la visión o en la duplicación del ADN.

Innovación tecnológica

En todos estos estudios no sólo fue posible obtener el tiempo total de la reacción (decenas o centenares de femtosegundo), sino además detectar y caracterizar el estado de transición de la misma, en el que los enlaces que mantienen unidos los átomos se están rompiendo para dar lugar a otros nuevos. La espectroscopía de femtosegundo supone por tanto una auténtica innovación tecnológica en la ciencia, pues por primera vez un método experimental permite visualizar en cámara lenta la reacción química en tiempo real y, así comprender y predecir con todo detalle cómo mueren unas moléculas y nacen otras nuevas en el curso del proceso químico. Una de las ideas más recientes de Zewail ha sido la universalización de la espectroscopía de femtosegundo. Para ello ha construido un aparato en el que se utiliza como sonda un chorro ultracorto de electrones, de modo que la dinámica reactiva iniciada por un pulso de luz láser de femtosegundo es congelada en fotogramas en forma de difractogramas de electrones. Se trata de lo que podríamos denominar un femtomicroscopio electrónico.

Inspirados por los trabajos de Zewail, un gran número de científicos de todo el mundo ha empezado a utilizar estas técnicas para el estudio de una gran variedad de problemas en química, física y biología. Las aplicaciones van desde dilucidar cómo funcionan los medicamentos usados en fototerapia, los agentes anticancerígenos o los catalizadores, hasta el desarrollo de nuevos materiales para su uso en microelectrónica y telecomunicaciones.

Además, la técnica se está aplicando al estudio de procesos biológicos complejos, como la fotosíntesis, la fotomutagénesis del ADN o el mecanismo de la visión, en lo que ha dado en llamarse femtobiología. Un ámbito muy relevante de aplicación de la femtoquímica en plena actualidad y desarrollo es el del control de las reacciones químicas. Una reacción química determinada viene acompañada a menudo por una serie de reacciones secundarias no deseadas que compiten con la reacción principal, dando lugar a una mezcla de productos que hay que separar y purificar. La utilización de pulsos láser de femtosegundo cuya forma se puede moldear en el laboratorio ha hecho posible controlar el destino de una reacción química, favoreciendo un producto de reacción frente a otros.

La importancia de la femtoquímica como nueva rama de investigación científica se refleja en la financiación por parte de las autoridades del Instituto de Tecnología de California y de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de EEUU, para la puesta en marcha del Laboratorio de Ciencias Moleculares, dirigido por Zewail, que dispone de una serie de laboratorios (femtolands) dedicados a la femtoquímica y la femtobiología. En este nuevo centro de alta tecnología, Zewail y sus colaboradores se dedican a la investigación en diversos temas, de entre los que cabe destacar la dinámica molecular de reacciones en fase gaseosa, agregados moleculares, nanoestructuras, cavidades, fluidos densos y líquidos, sin olvidar el desarrollo de nuevas técnicas láser ultrarrápidas.

Colaboración

En alguno de estos femtolands los firmantes de este artículo han tenido el privilegio de colaborar con el galardonado en los últimos años en estancias postdoctorales, recibiendo como fruto una serie de contribuciones científicas en femtoquímica relacionados con el proceso de fotoisomerización relevante en el mecanismo de la visión o el proceso de fotomutagénesis de un modelo molecular de las bases del ADN.

Además de las aportaciones científicas de Zewail, que le han hecho merecedor del Premio Nobel de Química de este año así como de una larga serie de premios y galardones, estamos ante una persona dedicada por completo a los miembros de su grupo, y con profundas convicciones en la protección del medio ambiente y en la mejora del progreso social y cultural en los países en vías de desarrollo. Como a él le gusta decir, su familia científica forjada en los últimos 20 años consta de más de 150 discípulos que actualmente llevan a cabo investigaciones en femtoquímica en muy diversos países del mundo.