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El control cuántico revoluciona la química de diseño y la manipulación molecular

La llegada de los láseres de femtosegundo ha potenciado el control de las reacciones químicas


La utilización de láseres de femtosegundos, capaces de producir una película a la misma velocidad con la que se mueven los átomos, ha permitido manipular la dinámica de una reacción química en tiempo real, es decir, a la vez que se está aplicando el pulso láser, así como resolver las ecuaciones dinámicas que gobiernan estos procesos. Toda una revolución tecnológica que permitirá en un futuro próximo el diseño de fármacos, si bien para ello será necesario todavía comprender cómo funcionan estos pulsos láser óptimos en su interacción con cada sistema molecular. Por Leticia González.




Lasers. M. holzschlag
Lasers. M. holzschlag
Lasers. M. holzschlag
Lasers. M. holzschlag
¿Acaso no puede decirse que uno de los objetivos más importantes de la química es el de poder ejercer control sobre el resultado de una determinada reacción? Porque en toda reacción química existen productos que se desea obtener con un alto rendimiento y otros que, simplemente, se desea eliminar.

Pongamos por caso un ejemplo sencillo. Si un químico quisiera romper una molécula en los pedazos en los que está constituida, seguro que lo más sencillo sería calentarla con un mechero Bunsen hasta que sus partes se disociasen.

Ahora bien, si es un producto específico el que se desea obtener, hay que usar de forma inteligente factores externos, como la temperatura o la presión, para condicionar la reacción.

Esto es lo que se llama control pasivo, pues dichos factores preparan inicialmente la molécula que va a reaccionar de una u otra manera, sin intervenir activamente en la reacción.

Llegan los láseres

Cuando se inventaron los láseres en los años 60, se pensó que estos serían la herramienta ideal para controlar qué enlace podía romperse en una determinada molécula, obteniéndose así el producto deseado.

La idea era someter la molécula a un haz de luz coherente e intenso, cuya frecuencia fuese la misma que la frecuencia con la que el enlace deseado vibra. Desgraciadamente, los distintos enlaces que constituyen la molécula están fuertemente interrelacionados, y la energía aportada por el láser de forma específica a un determinado enlace se redistribuye rápidamente entre todos los demás, no consiguiéndose al final mas que una molécula “caliente”.

El secreto del control por medio de láseres está en aprovechar las propiedades cuánticas de un haz de luz; es decir los fenómenos de interferencia constructiva o destructiva de la luz.

Mientras tanto, la llegada de los láseres de femtosegundo ha revolucionado todo el concepto del control cuántico. Un femtosegundo corresponde a 0,000000000000001 segundos, una escala temporal que constituye precisamente la resolución mínima necesaria para observar una reacción química en tiempo real; es decir, según se está produciendo desde los reactivos hasta los productos, a modo de película en “cámara lenta”.

La cámara fotográfica más veloz

Las distancias que los átomos tienen que salvar cuando se da una reacción química son de unos pocos angstroms (un ángstrom equivale a 0,0000000001 metros).

Teniendo en cuenta que la velocidad de los átomos en fase gaseosa es del orden de centenares de metros por segundo, significa que el viaje completo de los núcleos atómicos en la reacción química se lleva a cabo en un tiempo récord de unos pocos cientos de femtosegundos.

Si queremos producir una película de lo que está ocurriendo desde los reactivos a los productos de la reacción, necesitamos tomar instantáneas fotográficas al menos a la misma velocidad con la que se mueven los átomos.

Esto es lo que hizo Ahmed H. Zewail, egipcio de nacimiento, en su laboratorio del California Institute of Technology en Pasadena (EE.UU.): observar por primera vez reacciones químicas en tiempo real con un láser de femtosegundo, lo que le valió el Premio Nobel de Quimica de 1999 [1], dando lugar al nacimiento de un nuevo campo de la Química, la Femtoquímica.

Control cuántico activo

Y si podemos observar átomos en movimiento por medio de láseres de femtosegundo ¿no se podrían utilizar estos para manipular las reacciones? La respuesta es sí.

La diferencia ahora es, que siendo los pulsos láser del mismo orden temporal que el movimiento de los núcleos, podemos manipular la dinámica de una reacción química en tiempo real; es decir, a la vez que se está aplicando el pulso láser.

Es lo que se llama control cuántico activo, en contraposición con el control pasivo del que hablábamos antes.

Rompiendo enlaces con pulsos láser a medida

Uno de los métodos más ingeniosos para controlar una reacción química por medio de pulsos láser ultracortos es utilizar algoritmos de auto-aprendizaje que dictan desde un ordenador y de forma iterativa cómo ha de configurarse el pulso láser para que éste, por ejemplo, rompa un determinado enlace de la molécula.

La luz de un pulso láser de femtosegundo no emite en una sola frecuencia, como el láser que se usa en las discotecas, sino que tiene un amplio espectro de colores, consecuencia del principio de incertidumbre de Heisenberg.

Este espectro se puede descomponer, haciendo pasar cada componente espectral del pulso por un cristal liquido, como el que se utiliza para construir las pantallas de una calculadora o de un ordenador portátil.

Pero este cristal en concreto tiene al menos 128 píxeles o canales, en los que por medio de un pequeño voltaje se puede inducir uno u otro recorrido óptico en cada uno de los 128 componentes en que hemos dividido el pulso de luz coherente

Control óptimo

¿Y qué componente espectral del pulso láser hace falta y cómo ha de estar manipulada para que un enlace se rompa y el resto no? A priori, es imposible predecirlo. Sin embargo, ¡el experimentador no necesita saberlo!

El cristal liquido esta modulado por un ordenador programado con un sistema de control óptimo basado en conceptos de evolución genética, que es capaz de optimizar cada fase del haz coherente, de forma iterativa.

El ordenador mismo comprueba si dicho pulso conduce al objetivo deseado, y de acuerdo al resultado obtenido en cada iteración, cambia el pulso hasta que se alcanza el máximo rendimiento del producto de reacción de interés.

La primera verificación experimental de tal procedimiento fue realizada por Gustav Gerber y sus colaboradores en la Universidad de Würzburg, usando una compleja molécula organometálica, en la que dos productos distintos podían ser maximizados o minimizados [2].

Tras la pista de pulsos óptimos

Se puede decir que estos pulsos láser diseñados a medida “resuelven” las ecuaciones dinámicas que gobiernan la reacción por sí solos, sin necesidad de ningún conocimiento previo sobre las fuerzas que mantienen unidos a los átomos.

Sin embargo, si en un futuro próximo se quisiese utilizar esta técnica, por ejemplo, para el diseño de fármacos, sería necesario comprender cómo funcionan dichos pulsos láser óptimos en su interacción con el sistema molecular de interés.

Con tal fin, el laboratorio de [Ludger Wöste]url: http://www.physik.fu-berlin.de/~ag-woeste/, de la Freie Universität Berlin, en cooperación con nuestro grupo de química teórica, ha efectuado un experimento similar al llevado a cabo en Würzburg.

Utilizando una molécula organometálica similar, y combinando los resultados experimentales con cuidadosos cálculos teóricos, ha sido posible “descifrar”, por vez primera, cuál es el mecanismo que el pulso láser óptimo obtenido experimentalmente induce en el sistema molecular, permitiendo la interpretación de la “melodía” del espectro de colores del pulso láser y, con ello, entendiéndose cuál es la dinámica interna de la reacción [3].

Se trata de un primer hito en la comprensión de la interacción de un pulso láser óptimo con la materia, pero hacen falta muchos más ejemplos para poder comprender en toda su extensión cómo funciona el control cuántico, y convertirlo así en un nuevo camino hacia la química de diseño, y la manipulación de sistemas moleculares de interés biológico o farmacológico.



Leticia González es Profesora Ayudante en la Freie Universität Berlin, Alemania. Ha participado como ponente en el congreso Quantum Control Of Light And Matter, celebrado en South Hadley, MA, entre el 3 y el 8 de agosto pasado.


Referencias:

[1] A. H. Zewail, Nobel Lecture.

[2] A. Assion, T. Baumert, M. Bergt, T. Brixner, B. Kiefer, V. Seyfried, M. Strehle and G. Gerber: Control of Chemical Reactions by Feeback-Optimized Phase-Shaped Femtosecond Laser Pulses, Science, vol 282, p. 919 (1998).

[3] C. Daniel, J. Full, L. González, C. Lupulescu, J. Manz, A. Merli, S. Vajda and L. Wöste: Deciphering the Reaction Dynamics Underlying Optimal Laser Fields. Science, vol. 299, p. 536 (2003).



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Domingo, 10 de Agosto 2003
Leticia González
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