Tendencias21
El control cuántico revoluciona la química de diseño y la manipulación molecular

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

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.

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

¿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).

Tema relacionado:

Nuevas tecnologías para detener el tiempo consiguen filmar al cerebro mientras piensa

Leticia Gonzalez

Hacer un comentario

RSS Lo último de Tendencias21

  • Los vínculos sociales alinean a las personas en la misma longitud de onda 20 marzo, 2024
    El vínculo social mejora el intercambio de información y sincroniza las actividades cerebrales entre el líder de un grupo y sus seguidores, colocando a todo el grupo en la misma longitud de onda cerebral, según un nuevo estudio de sincronización neuronal.
    Pablo Javier Piacente
  • Partículas desconocidas de energía oscura serían la fuerza impulsora detrás de la expansión del Universo 20 marzo, 2024
    Una nueva investigación teórica sugiere que la misteriosa energía oscura estaría compuesta por "no partículas" y podría estar ligada a la expansión del cosmos, "separando" lentamente al Universo. Esto explicaría por qué los científicos no logran comprender aún en profundidad cómo el Universo se expande de forma cada vez más acelerada. También revelaría la causa […]
    Pablo Javier Piacente
  • Las mujeres científicas lideran las investigaciones sobre la sequía 20 marzo, 2024
    Las mujeres científicas están a la vanguardia de las investigaciones sobre la sequía para preservar la producción agrícola, gestionar el agua y mitigar los efectos del calentamiento global. Sobre el terreno, están también mejor preparadas para gestionar los desastres naturales.
    Alicia Domínguez y Eduardo Costas (*)
  • Los robots humanoides llegan a la industria automotriz 20 marzo, 2024
    Mercedes ha contratado robots humanoides para trabajar en sus fábricas: participan en las líneas de ensamblaje y automatizan tareas de baja complejidad y alta exigencia física.
    Redacción T21
  • Revelan cómo nace el miedo en el cerebro y una posible vía para paralizarlo 19 marzo, 2024
    Un nuevo estudio ha logrado descifrar una serie de modificaciones en la química cerebral que, al influir sobre circuitos neuronales específicos, provocan que el miedo se generalice y aparezca en situaciones en las que no debería hacerlo. Este sistema es el que genera la sensación de miedo exacerbada y permanente que experimentan las personas que […]
    Pablo Javier Piacente
  • Crean el mapa 3D más extenso de los agujeros negros supermasivos activos del Universo 19 marzo, 2024
    En una verdadera proeza astronómica, los científicos han creado el mapa más extenso hasta el momento de los agujeros negros supermasivos activos y cuásares en el cosmos: el avance marca un salto significativo en nuestra comprensión de estos gigantes cósmicos y podría ayudar a entender mejor las propiedades de la materia oscura.
    Pablo Javier Piacente
  • Descubren cómo las primeras células de la Tierra aprovecharon el H2 como fuente de energía 19 marzo, 2024
    Un nuevo informe descubre cómo el gas hidrógeno, la energía del futuro, proporcionó energía en el pasado, en el origen de la vida hace 4 mil millones de años. Y confirmaría que la vida se originó en respiradores hidrotermales.
    HHU/T21
  • Algo extraño ocurre en el Cometa Diablo que nos visita durante el eclipse solar de abril 19 marzo, 2024
    Un cometa casi tan famoso como el Halley está brillando en el cielo nocturno de la Tierra y podría ser visible durante el eclipse solar total del 8 de abril que tendrá lugar sobre Norteamérica, pero algo extraño parece suceder en su núcleo.
    Redacción T21
  • Resuelto el misterio de una criatura marina con un caparazón repleto de ojos 18 marzo, 2024
    Los quitones o chitones son moluscos marinos dotados de pequeños ojos desperdigados por todo su caparazón, con lentes confeccionados con un mineral llamado aragonita. Estos primitivos órganos sensoriales son capaces de distinguir formas y luz: un nuevo estudio ha revelado por qué evolucionaron tan rápidamente y cuál es su papel en el desarrollo de los […]
    Pablo Javier Piacente
  • La mayor erupción volcánica de la era geológica actual ocurrió en Japón hace 7.300 años 18 marzo, 2024
    Un estudio detallado de los depósitos volcánicos submarinos alrededor de la caldera Kikai, en Japón, descubrió que un evento que tuvo lugar en esa región de Asia hace 7.300 años fue, con claridad, la mayor erupción volcánica registrada en el planeta durante el Holoceno, la época geológica actual iniciada hace aproximadamente 11.500 años.
    Pablo Javier Piacente