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El Hollywood de las moléculas y los átomos

Un laboratorio español entra en el selecto club de los que poseen la cámara más rápida de la Tierra

El plató ínfimo de rodaje que podemos encontrar ocuparía un espacio de sólo unos nanómetros, pero ¿es posible filmar con nitidez cómo gira un electrón dentro de un átomo de hidrógeno a la nada despreciable velocidad de 7,8 millones de kilómetros por hora, o el también ultrarrápido plegamiento de una proteína? Un puñado de laboratorios especializados en todo el mundo está intentando hacerlo con técnicas láser como fuente de luz. El Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) ha entrado en este selecto club con el láser que ha desarrollado, capaz de disparar ráfagas rápidas de pulsos de rayos X de 193 attosegundos de duración (tiempo que permite recorrer una longitud de 58 nanómetros). El récord del mundo de medición está en 130 attosegundos y lo tiene un grupo de Lund, Suecia.

La attociencia es una disciplina que trata de entender y filmar los acontecimientos más rápidos que se producen en la naturaleza, con el objeto de solucionar importantes problemas científicos. Los experimentos se miden en attosegundos (una unidad de tiempo equivalente a la trillonésima parte de un segundo, o un 1 precedido de 18 ceros). ¿Para qué sirve la attociencia? "El mundo no es estático, sino que todo comportamiento es dinámico", explica Jens Biegert, responsable del laboratorio de Attociencia y Óptica Ultrarrápida del ICFO. El conocimiento más preciso de las minúsculas interacciones a nivel nanométrico permitirá comprender los procesos biológicos y químicos.

Pongamos tres problemas a modo de ejemplo: los chips de ordenador funcionan con electricidad, y los electrones se mueven en su interior. Cada nueva generación de ordenadores utiliza chips más rápidos, con estructuras cada vez más densas y diminutas para poder incrementar la potencia. Se está alcanzando el límite físico, que sólo será posible traspasar entendiendo el movimiento electrónico y cómo interaccionan con los átomos vecinos, añade Biegert. Otro caso es el del fármaco talidomida, que se suministraba para sedar a mujeres embarazadas y reducir los síntomas de náusea. Muchos fármacos y sustancias se sintetizan en reacciones químicas que pueden producir dos productos con propiedades casi idénticas. Se descubrió muy tarde que la talidomida puede ser un medicamento o tener efectos secundarios espantosos en el bebé. La industria farmacéutica busca métodos para prevenir este tipo de errores. De igual modo, sabemos que los cambios espacios en las proteínas determinan su función. Un plegamiento incorrecto puede producir alzhéimer, por ejemplo. La posición de los electrones dentro de las moléculas en las cuales las proteínas se producen determinan la forma que una parte de las proteínas se pliegas. "Todos estos ejemplos demuestran por qué el movimiento y situación de los electrones es crucial en nuestro mundo".

Así, el comportamiento y los cambios que se producen en los átomos y moléculas determinan cualquier hecho de la física básica, qué propiedades tiene un material, cómo son las funciones de un chip de un ordenador, las reacciones químicas que producen una medicación o cómo las proteínas funcionan incorrectamente y causan enfermedades como el azhéimer, explica el científico alemán."Un laboratorio de attociencia no es ni más ni menos que la cámara más rápida de la Tierra", explica Biegert, quien se estableció en 2007 en Barcelona para desarrollar el laboratorio. En este centro se producen los flashes más cortos de luz en la región de los denominados rayos X soft, de forma "que podemos mirar los cambios ultrarrápidos de electrones dentro de la materia".

Para producir tales pulsos de attosegundos, es necesario un láser único de luz ultracorta y ultra intensa, que opera de una manera controlada dentro de cámaras de ultravacío con átomos tales como argón y neón. Estos destellos de rayos X miden la interacción con otros átomos y moléculas.

El experimento con el que han conseguido hacer mediciones de sólo 193 attosegundos es un gran reto que sólo está al alcance de una decena de laboratorios en todo el mundo. La medición se ha realizado en dos pasos: en primer lugar, la generación de un pulso de luz láser ultra intensa y ultracorta de la fuente construida por el ICFO se enfoca en átomos de argón dentro de una cámara de ultravacío. "Nuestro láser es suficientemente potente como para arrancar un electrón lejos del átomo del argón y conducirlo de nuevo a su origen. Haciendo esto, el electrón gana energía del láser y la emite como flashes de rayos X que duran attosegundos. Puede sonar sencillo, pero necesitamos tener un gran control sobre el láser y esta fue la razón que nos hizo construirlo por nosotros mismos", añade Biegert.

El laboratorio español prepara experimentos con el objeto de crear pulsos de menor longitud de onda (actualmente de decenas de nanómetros) y alta eficiencia. Una longitud de onda de entre dos y cuatro nanómetros es ideal para la filmación de una imagen biológica de una proteína, asegura el investigador. "Combinar la imagen con resolución temporal es un sueño de muchos años de biólogos y planeamos mejorar nuestra fuente para estudiar si esto es posible", dice. En segundo lugar, tratan de realizar una película de una reacción química simple mediante tomografía orbital y podría permitir demostrar cómo una reacción química procede a través de sus diversas etapas y produce un producto u otro. El próximo año, quizá, puedan romper el actual récord y realizar mediciones de sólo 50 attosegundos.

Componente criogénico del láser construido en el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), en Barcelona, que produce pulsos de attosegundos.
Componente criogénico del láser construido en el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), en Barcelona, que produce pulsos de attosegundos.ICFO
Láser construido en el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), en Barcelona, que produce pulsos de attosegundos.
Láser construido en el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), en Barcelona, que produce pulsos de attosegundos.ICFO

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