La attociencia, un nuevo territorio para las ciencias moleculares

Los avances en tecnología láser en los años ochenta permitieron observar las moléculas en acción. Los nuevos láser de rayos X con pulsos todavía más cortos abren nuevas perspectivas a nivel subatómico de la materia. ¿Habrá una revolución, como ocurrió entonces en la química y la biología?

El electrón es el alma de cualquier proceso natural o artificial

En esta escala, la química está casi congelada en el tiempo

Si el uso de la luz solar o de un flas acoplado a una cámara rápida nos permite disfrutar de imágenes congeladas en el tiempo de objetos macroscópicos en movimiento, la invención y el desarrollo de la tecnología láser de femtosegundo nos permite ver cómo se rompen y se forman enlaces químicos, tanto en moléculas sencillas como la de la sal de cocina, como en sistemas complicados como las moléculas implicadas en la visión. Un fem-tosegundo -10-15 segundos- es para un minuto tanto como es un minuto para la edad del universo. Esta área de la ciencia que vio la luz a principios de los años ochenta y que se desarrolló en los noventa, es conocida ahora como femtoquímica con una extensión a la biología (femtobiología).

Fue Ahmed H. Zewail (premio Nobel de Química en 1999) quien sentó sus bases y demostró cómo conseguir películas del movimiento de los átomos en una reacción química. El invento permitió ver en secuencias atómicas cómo muere una molécula para formar otra. En trabajos recientes, el grupo de Zewail describió el uso de la difracción de electrones resuelta en el tiempo para fotografiar las distancias entre átomos enlazados y no enlazados (esto último, novedoso) en una molécula que evoluciona de manera muy rápida.

Así, con láser de decenas de femtosegundos y una técnica de detección muy rápida es posible obtener fotogramas a nivel atómico de una reacción molecular. Sin embargo, para llevar este tipo de estudios a nivel subatómico, es decir, caracterizar el movimiento de un electrón en un átomo, es necesario disponer de cámaras y de láser aún más rápidos. Usando el modelo más sencillo para el comportamiento del electrón podemos deducir que son necesarios láser y cámaras con resolución de decenas hasta centenas de attosegundos (un attosegundo -10-18 segundos- es la milésima parte de un femtosegundo) para caracterizar la dinámica de un electrón en su órbita. Así, el invento de láser de attosegundo abrirá una nueva época en las ciencias moleculares. Esto nos llevará a la attofísica: es decir, el estudio de la dinámica en una escala temporal muy corta que permitirá captar fotogramas del movimiento interno (dentro del átomo) y externo (entre átomos y moléculas) del electrón, y la attoquímica, como captar varias configuraciones electrónicas de una molécula.

Un importante avance en esta dirección (Nature, 29 de noviembre de 2001) ha sido la generación y el uso de pulsos de láser de 650 attosegundos de duración por físicos del Instituto de Tecnología Fotónica de la Universidad de Viena (liderados por F. Krausz) y en colaboración con otros grupos en Canadá (Instituto Steacie de Ciencias Moleculares) y en Alemania (Universidad de Bielfield). Meses antes (Science, 9 de marzo de 2001), el grupo de Krausz mostró la posibilidad de obtener pulsos de rayos X cercanos a la frontera de los attosegundos. En junio de 2001 (Science, 1 de junio de 2001), investigadores en Francia y Holanda, liderados por H. G. Muller del Instituto de Física Atómica y Molecular (Amsterdam), generó un conjunto (tren) de pulsos de 250 attosegundos (armónicos de alto orden del fundamental) de duración cada uno, al enfocar un láser muy potente y muy corto en el tiempo en un gas noble (argón).

El problema entonces, y la clave del éxito, era cómo aislar estos pulsos armónicos de su fundamental y poder medirlos y usarlos. Para conseguirlo, hace falta el uso de nuevos conceptos en óptica cuántica aplicada a la mecánica cuántica (interacción de un fotón con un electrón) y láser rojos muy intensos y muy cortos cercanos al attosegundo y con pocos ciclos oscilatorios en la onda electromagnética.

Así, para producir fogonazos de rayos X de attosegundos de duración, el grupo liderado por F. Krausz bombardeó los átomos del gas noble neón con un láser rojo muy potente y muy rápido. El láser arrancó electrones del gas noble para que éstos colisionasen con los iones generados en el mismo, dando lugar a pulsos láser armónicos de órdenes muy altos y de attosegundos de duración. Estos armónicos situados en el extremo ultravioleta y rayos X tienen una frecuencia mayor y una longitud de onda 50 veces menor que las del láser rojo incidente sobre el gas noble. El equipo aisló entonces, por primera vez en la historia de los láser, pulsos de 650 attosegundos para observar el carácter oscilatorio de la luz.

Fue Maxwell quien desde hace mucho tiempo dedujo teóricamente el carácter oscilatorio de la luz, pero lo hizo basándose en la observación de H. Hertz en 1888, cuando éste constató que la luz ultravioleta emitida por una descarga eléctrica influye en otra descarga eléctrica.

Además, el grupo citado estudió con una resolución temporal sin precedentes (150 attosegundos) la dinámica del electrón asociada a la fotoionización del gas noble kriptón.

En la escala de attosegundos, la química (formación y ruptura de enlaces químicos) está casi congelada en el tiempo, y la única dinámica observable es la del electrón, ya que éste es más veloz y menos pesado que el núcleo. Aunque queda mucho camino por recorrer para llevar a cabo experimentos similares a los que se realizan actualmente en femtoquímica y femtobiología, el invento de láser de attosegundos permitirá un empuje hacia nuevos descubrimientos y avances científicos y tecnológicos espectaculares. El electrón, uno de los actores principales en estos nuevos láser, es el alma de cualquier proceso natural o artificial. Observar y comprender su evolución temporal dentro de un átomo (transiciones entre órbitas) o en un conjunto de átomos o moléculas es, sin duda, de gran importancia para muchas aplicaciones tecnológicas. Así, se ha abierto una puerta experimental en el mundo de las ciencias subatómicas para contestar a preguntas de la época dorada de la física cuántica y plantear otras nuevas al mundo de la attociencia.

Las fronteras en ciencias moleculares se renuevan cada día. Si nuestro tren científico no es tan rápido como el de los demás, la sociedad, sus próximas generaciones y futuros científicos y tecnólogos se quedarán sin alcanzar el nivel adecuado para viajar hacia nuevos territorios en ciencia y tecnología. Para evitarlo, serán necesarios más infraestructura, más puestos de trabajo para investigadores y más becas. También sería necesario fomentar la cultura científica de la sociedad. La receta ya funciona en varios países de la Comunidad Europea que estos meses España preside. El actual porcentaje del producto interior bruto (PIB) dedicado a I+D (el 0,94%) está muy por debajo de la media europea (un 1,9%). Me pregunto: nos conformamos con 'que inventen ellos' o como dijo Ernest Rutherford al principio del siglo pasado: 'No tenemos el dinero así que tenemos que pensar'. En cualquier caso, bienvenidos a la attociencia.

A. Douhal es profesor de Química Física y director del Laboratorio de Espectroscopia Láser Ultra-rápida en la Universidad de Castilla-La Mancha (Toledo).