Una 'c¨¢mara' para fotografiar mol¨¦culas

El Premio Nobel de Qu¨ªmica ha sido concedido este a?o a Ahmed H. Zewail, profesor de Qu¨ªmica y de F¨ªsica en el Instituto de Tecnolog¨ªa de California, por sus trabajos pioneros en femtoqu¨ªmica y, en palabras de la Academia Sueca, "por sus estudios sobre los estados de transici¨®n de las reacciones qu¨ªmicas por medio de la espectroscop¨ªa de femtosegundo". La femtoqu¨ªmica explora los sucesos moleculares elementales involucrados en las reacciones qu¨ªmicas, como son la ruptura y la formaci¨®n de los enlaces qu¨ªmicos. La observaci¨®n de tales fen¨®menos requiere una resoluci¨®n temporal de pocas mil billon¨¦simas de segundo o femtosegundos (un femtosegundo, que equivale a 10-15 segundos, es a un segundo como un segundo es a 32 millones de a?os).Un problema fundamental en las ciencias llamadas moleculares consiste en entender c¨®mo estos sucesos b¨¢sicos, que ocurren en la regi¨®n de tr¨¢nsito entre reactivos y productos, determinan el curso y evoluci¨®n de la reacci¨®n qu¨ªmica. Por tanto, ser¨ªa deseable disponer de una c¨¢mara que permitiese obtener fotograma a fotograma la evoluci¨®n de la reacci¨®n qu¨ªmica en el tiempo y en el espacio, pasando por el estado de transici¨®n.

L¨¢seres ultrarr¨¢pidos

A principio de los a?os 80, Zewail describi¨® el concepto de femtoqu¨ªmica y a finales de esa d¨¦cada, junto con sus colaboradores, llev¨® a cabo una serie de experimentos en los que como c¨¢mara utiliz¨® l¨¢seres ultrarr¨¢pidos que produc¨ªan pulsos de fotones de unas decenas de femtosegundo. Para conseguir una pel¨ªcula molecular de la reacci¨®n qu¨ªmica, un primer pulso l¨¢ser de bombeo (disparo) da energ¨ªa a las mol¨¦culas bajo forma de luz, y de ese modo se inicia la reacci¨®n y se define el origen de tiempos. El pulso de bombeo es seguido unos cuantos femtosegundos m¨¢s tarde por un segundo pulso l¨¢ser de sonda (diafragma de la c¨¢mara), cuyas caracter¨ªsticas est¨¢n seleccionadas adecuadamente para seguir el viaje temporal de la mol¨¦cula desde su estado inicial hasta el estado final en forma de productos de reacci¨®n. De esa manera, para cada tiempo de retraso entre los dos pulsos l¨¢ser (disparo y diafragma) se dispone de una imagen congelada del proceso qu¨ªmico.

La t¨¦cnica fue aplicada originalmente por Zewail y sus colaboradores a investigar la ruptura de mol¨¦culas relativamente sencillas como el cianuro de yodo (ICN) o el yoduro de sodio (NaI). Durante la d¨¦cada de los 90, el grupo de Zewail ha aplicado la espectroscop¨ªa de femtosegundo al estudio de una gran variedad de reacciones qu¨ªmicas unimoleculares (disociaciones, isomerizaciones, transferencias de prot¨®n y electr¨®n), bimoleculares (como la reacci¨®n ilustrada en la figura) y a procesos m¨¢s complejos que son pilares de las reacciones involucradas en el mecanismo de la visi¨®n o en la duplicaci¨®n del ADN.

Innovaci¨®n tecnol¨®gica

En todos estos estudios no s¨®lo fue posible obtener el tiempo total de la reacci¨®n (decenas o centenares de femtosegundo), sino adem¨¢s detectar y caracterizar el estado de transici¨®n de la misma, en el que los enlaces que mantienen unidos los ¨¢tomos se est¨¢n rompiendo para dar lugar a otros nuevos. La espectroscop¨ªa de femtosegundo supone por tanto una aut¨¦ntica innovaci¨®n tecnol¨®gica en la ciencia, pues por primera vez un m¨¦todo experimental permite visualizar en c¨¢mara lenta la reacci¨®n qu¨ªmica en tiempo real y, as¨ª comprender y predecir con todo detalle c¨®mo mueren unas mol¨¦culas y nacen otras nuevas en el curso del proceso qu¨ªmico. Una de las ideas m¨¢s recientes de Zewail ha sido la universalizaci¨®n de la espectroscop¨ªa de femtosegundo. Para ello ha construido un aparato en el que se utiliza como sonda un chorro ultracorto de electrones, de modo que la din¨¢mica reactiva iniciada por un pulso de luz l¨¢ser de femtosegundo es congelada en fotogramas en forma de difractogramas de electrones. Se trata de lo que podr¨ªamos denominar un femtomicroscopio electr¨®nico.

Inspirados por los trabajos de Zewail, un gran n¨²mero de cient¨ªficos de todo el mundo ha empezado a utilizar estas t¨¦cnicas para el estudio de una gran variedad de problemas en qu¨ªmica, f¨ªsica y biolog¨ªa. Las aplicaciones van desde dilucidar c¨®mo funcionan los medicamentos usados en fototerapia, los agentes anticancer¨ªgenos o los catalizadores, hasta el desarrollo de nuevos materiales para su uso en microelectr¨®nica y telecomunicaciones.

Adem¨¢s, la t¨¦cnica se est¨¢ aplicando al estudio de procesos biol¨®gicos complejos, como la fotos¨ªntesis, la fotomutag¨¦nesis del ADN o el mecanismo de la visi¨®n, en lo que ha dado en llamarse femtobiolog¨ªa. Un ¨¢mbito muy relevante de aplicaci¨®n de la femtoqu¨ªmica en plena actualidad y desarrollo es el del control de las reacciones qu¨ªmicas. Una reacci¨®n qu¨ªmica determinada viene acompa?ada a menudo por una serie de reacciones secundarias no deseadas que compiten con la reacci¨®n principal, dando lugar a una mezcla de productos que hay que separar y purificar. La utilizaci¨®n de pulsos l¨¢ser de femtosegundo cuya forma se puede moldear en el laboratorio ha hecho posible controlar el destino de una reacci¨®n qu¨ªmica, favoreciendo un producto de reacci¨®n frente a otros.

La importancia de la femtoqu¨ªmica como nueva rama de investigaci¨®n cient¨ªfica se refleja en la financiaci¨®n por parte de las autoridades del Instituto de Tecnolog¨ªa de California y de la Fundaci¨®n Nacional de Ciencias (NSF) de EEUU, para la puesta en marcha del Laboratorio de Ciencias Moleculares, dirigido por Zewail, que dispone de una serie de laboratorios (femtolands) dedicados a la femtoqu¨ªmica y la femtobiolog¨ªa. En este nuevo centro de alta tecnolog¨ªa, Zewail y sus colaboradores se dedican a la investigaci¨®n en diversos temas, de entre los que cabe destacar la din¨¢mica molecular de reacciones en fase gaseosa, agregados moleculares, nanoestructuras, cavidades, fluidos densos y l¨ªquidos, sin olvidar el desarrollo de nuevas t¨¦cnicas l¨¢ser ultrarr¨¢pidas.

Colaboraci¨®n

En alguno de estos femtolands los firmantes de este art¨ªculo han tenido el privilegio de colaborar con el galardonado en los ¨²ltimos a?os en estancias postdoctorales, recibiendo como fruto una serie de contribuciones cient¨ªficas en femtoqu¨ªmica relacionados con el proceso de fotoisomerizaci¨®n relevante en el mecanismo de la visi¨®n o el proceso de fotomutag¨¦nesis de un modelo molecular de las bases del ADN.

Adem¨¢s de las aportaciones cient¨ªficas de Zewail, que le han hecho merecedor del Premio Nobel de Qu¨ªmica de este a?o as¨ª como de una larga serie de premios y galardones, estamos ante una persona dedicada por completo a los miembros de su grupo, y con profundas convicciones en la protecci¨®n del medio ambiente y en la mejora del progreso social y cultural en los pa¨ªses en v¨ªas de desarrollo. Como a ¨¦l le gusta decir, su familia cient¨ªfica forjada en los ¨²ltimos 20 a?os consta de m¨¢s de 150 disc¨ªpulos que actualmente llevan a cabo investigaciones en femtoqu¨ªmica en muy diversos pa¨ªses del mundo.