Química bajo control

Aunque parezca paradójico, uno de los sueños de la física moderna es ejercer control sobre la química. Para un químico es habitual tratar de maximizar o minimizar determinados productos en una reacción. Técnicas habituales que condicionan las reacciones usan de modo inteligente variables macroscópicas, como temperatura, presión o concentración; de este modo, sin embargo, la naturaleza cuántica que gobierna el curso microscópico de la reacción química no es manipulable.

¿Y por qué no usar la luz de un láser para controlar la reacción? Esta fue la pregunta que se hicieron los científicos a finales de los 60, cuando el primer láser llegó al mercado. Los átomos que forman una molécula están unidos por "muelles" que vibran con una determinada frecuencia. Por tanto, un láser con una frecuencia igual a la frecuencia con la que vibra un enlace, debería romper dicho enlace, formando un producto específico. Desgraciadamente, todos los enlaces de la molécula interaccionan entre sí, y los experimentos mostraron que la energía aportada a un determinado enlace se redistribuye rápidamente entre los demás, calentando uniformemente el sistema sin lograr control alguno. El control cuántico parecía relegado a una quimera teórica.

Casi 30 años después, con el comienzo del nuevo milenio, los láseres de femtosegundo han hecho renacer el sueño del control cuántico. Un femtosegundo es tan corto como 0,000000000000001 segundos. Las distancias que los átomos recorren en una reacción química son de unos pocos angstroms (un angstrom equivale a 0,0000000001 metros) y, puesto que la velocidad de los átomos es de unos pocos centenares de metros por segundo, el viaje completo de los núcleos atómicos en una reacción ocurre en un tiempo récord de unos pocos cientos de femtosegundos. Si queremos producir una película a "cámara lenta" de lo que sucede desde los reactivos a los productos, es necesario tomar instantáneas al menos a la misma velocidad a la que se mueven los átomos, es decir, en una escala de femtosegundos. Esto es lo que hizo Ahmed H. Zewail en su laboratorio del Instituto Tecnológico de California en Pasadena (EE.UU.), por lo que se le otorgó el Premio Nobel de Química en 1999, fundando así una nueva ciencia: la femtoquímica.

Pero si es posible observar átomos en movimiento utilizando pulsos láser de femtosegundo, también debería ser posible gobernar microscópicamente-o cuánticamente-una reacción con tales pulsos. Aprendiendo de la biología, el control cuántico emplea ahora sistemas de auto-aprendizaje que buscan iterativamente pulsos óptimos. Estos pulsos tan cortos contienen un amplio espectro de colores, y cada color puede manipularse independientemente aplicando un pequeño voltaje que induce un recorrido óptico distinto. ¿Qué color del pulso hace falta y cómo debe ser su recorrido para que un enlace se rompa y otros no? A priori, es imposible predecirlo. Sin embargo, en el laboratorio no hace falta saberlo. Un ordenador programado con algoritmos de evolución genética dicta el camino óptico y comprueba en cada iteración si dicho pulso conduce al objetivo deseado, cambiando el pulso hasta que se alcance el máximo rendimiento en el producto de interés. La primera verificación experimental de tan ladino procedimiento se realizó en 1998 en la Universidad de Würzburg (Alemania).

Estos algoritmos automatizados fabrican pulsos láser a medida, pero no desvelan la patente de cómo tales pulsos funcionan. Sin embargo, si en el futuro se quisiera utilizar esta técnica en la síntesis industrial, por ejemplo, de fármacos, sería necesario comprender las interacciones moleculares que dichos pulsos óptimos generan. El primer paso en esta dirección ha sido realizado con el esfuerzo conjunto de físicos experimentales y químicos teóricos de la Universidad Libre de Berlín, descifrando por primera vez el mecanismo de interacción de un pulso láser óptimo con una molécula e interpretando la melodía del espectro de colores de la luz láser. Estos resultados han sido publicados recientemente en la prestigiosa revista Science (Science 299 (2003) 536).

Se trata de un primer hito en la comprensión de cómo interaccionan los pulsos óptimos con la materia, pero hacen falta muchos más ejemplos para sistematizar el control cuántico y convertirlo en una nueva vía hacia la química de diseño que permita manipular sistemas biológicos y farmacológicos. Deseamos resaltar que estas nuevas tecnologías láser están ya disponibles en el Laboratorio de Femtoquímica de la Universidad Complutense de Madrid, donde próximamente podrán abordarse experimentos en esta línea de investigación.

Luis Bañares es profesor titular de Química Física en la Universidad Complutense de Madrid, y Leticia González es profesora ayudante de Química en la Universidad Libre de Berlín