El tiempo de una milbillonésima de segundo

A la escala de los átomos y las moléculas, el mundo se mueve en fragmentos de tiempo de femtosegundos. Un femtosegundo es la mil billonésima parte de un segundo; es, a un segundo, lo que un segundo a 32 millones de años. En un femtosegundo la luz recorre sólo 0,3 milésimas de milímetro, el diámetro de una bacteria pequeña. ¿Es posible ver cómo cambia el mundo en pedazos temporales tan difíciles de imaginar? Sí, y desde hace ya dos décadas. Gracias a las técnicas de detección ultrarrápida los científicos pueden hoy ver exactamente qué pasa durante una reacción química, más o menos como si fueran los fotogramas de una película. Y las aplicaciones están siendo tan numerosas como diversas: desde la búsqueda de materiales para fabricar células fotovoltaicas más baratas y eficaces al diseño de fármacos, o para abordar problemas básicos fundamentales en física y biología, como el plegamiento de proteínas o el fenómeno de la superconductividad de altas temperaturas. Más de 500 investigadores de 43 países se reunieron la semana pasada en Toledo en el congreso más importante del área, bianual, celebrado por primera vez en España.

"Todos los cambios que tienen lugar en los átomos y las moléculas ocurren en la escala de femtosegundos. Para una reacción química, o un cambio en las enzimas de tu cuerpo, el primer paso es en la escala de femtosegundos", explica el Nobel de Química Ahmed Zewail, inventor en 1987 del láser de femtosegundo, la técnica que permitió entrar en el femtomundo. Zewail inauguró el congreso de Toledo, organizado por el grupo de femtociencia de Abderrazzak Douhal, de la Universidad de Castilla La Mancha (UCLM).

Para explicar su trabajo, estos científicos recurren a ejemplos como el de la técnica de fotografía rápida con la que a finales del XIX se demostró que los caballos mantienen todas sus patas en el aire en un momento de su galope (hecho del que pendía una apuesta de 25.000 dólares). Hizo falta captar un instante de dos milésimas de segundo. Pero eso es hoy una eternidad. El flash de una cámara cotidiana congela el tiempo una milésima de segundo; un ordenador doméstico ejecuta una instrucción de software en millonésimas de segundo. Y el récord no está ni siquiera en los femtosegundos. Desde principios de esta década se puede bajar a los attosegundos, mil veces más cortos que los femtosegundos. Como tiempos cada vez más cortos corresponden a distancias cada vez más cortas, el attosegundo -en el que la luz apenas atraviesa un protón- permite ver cambios dentro de los átomos, en los veloces y ligeros electrones.

"Pero para ver cómo se comportan moléculas y átomos enteros, que son lo que cuenta en las reacciones químicas, basta el femtosegundo", señala Majed Chargui, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, en Suiza. La química convencional ve cómo empieza una reacción y cómo acaba. Pero no sabe qué ocurre entre medias, cómo aparecen y se desvanecen las especies químicas de transición. Una película con fotogramas de femtosegundos muestra los entresijos de la reacción, y permite así avanzar en problemas de áreas muy dispares. "Este campo ha experimentado una gran expansión en la última década. Aquí hay gente que trabaja en nuevos fármacos, en materiales, en reconocimiento molecular...", señala Zewail.

Uno de los avances considerados importantes es la técnica desarrollada por el grupo de Chargui, que permite no sólo identificar las moléculas que intervienen en el proceso de la reacción sino también ver su estructura. En vez de iluminar las moléculas con luz visible utiliza rayos X. "Para conocer la estructura de una molécula nos hace falta radiación de longitud de onda más corta que la luz visible", afirma Chargui. LOS rayos X se usan habitualmente para analizar estructuras de proteínas previamente cristalizadas -sólidas, por tanto-, pero la técnica de Chargui, además de mostrar la película de las reacciones, puede aplicarse a moléculas en fase líquida, algo esencial en biología -"La vida no funciona con cristales"-. Su técnica requiere rayos x procedentes de un sincrotrón, lo que implica que sólo puede llevarse a cabo en una de estas instalaciones.

El grupo de Chargui publicó en la revista Science a principios de este año el primer trabajo que describe la evolución estructural de una molécula en femtosegundos usando rayos X. Se trata de una familia de moléculas esenciales para el desarrollo de mejores células fotovoltaicas, y los investigadores han observado algo curioso. En algunas de esas moléculas, en concreto las que tienen átomos de hierro, se dan procesos físicos muy similares a los que ocurren en proteínas de la sangre, las porfirinas de la hemoglobina, que también tienen un átomo de hierro.

Otra de las novedades es la microscopía electrónica en cuatro dimensiones desarrollada por Zewail. El microscopio electrónico es desde hace décadas una potente herramienta para mostrar la estructura -estática- de la materia a escala atómica. Con la técnica patentada por Zewail, director del Centro de Biología Física para Ciencia y Tecnología Ultrarrápida del Instituto Tecnológico de California (EEUU), es posible ver cómo esta estructura cambia en femtosegundos.

La microscopía electrónica en cuatro dimensiones controla la trayectoria de cada uno de los electrones, y logra que lleguen a la muestra en un punto y a intervalos de tiempo precisos. Así, millones de electrones permiten reconstruir la película a cámara ultralenta de lo que ocurre a escala atómica. La técnica sirve para sistemas físicos o biológicos. Los investigadores la usan actualmente para ver componentes de las células, o las propias proteínas. Esperan que aporte pistas importantes sobre un problema clave en biología: cómo adquieren las proteínas su estructura tridimensional. También se ha empezado a estudiar con esta técnica materiales superconductores a altas temperaturas, una propiedad que resulta aún un misterio para los físicos.

En uno de sus últimos trabajos, publicados en Science, el grupo de Zewail aplica la técnica a láminas superfinas de oro y de grafito. En el caso del grafito se observa cómo los átomos de carbono empiezan a vibrar de forma coherente, emitiendo un sonido inaudible para el oído humano. Los investigadores llaman al fenómeno nanodrumming.

En España trabaja en femtociencia y microscopia resuelta en el tiempo para estudiar moléculas individuales el grupo de Abderrazzak Douhal, organizador del congreso. Una de sus líneas es cómo cambia la conformación de una molécula individual y por consiguiente su estructura cuando se encuentran confinadas en nanocavidades o nanoporos moleculares -como jaulas-, algo importante por ejemplo para transportar fármacos a los órganos necesarios dentro del organismo o en fotovoltaica y en general en nanociencia.