La attociencia, un nuevo territorio para las ciencias moleculares

Los avances en tecnolog¨ªa l¨¢ser en los a?os ochenta permitieron observar las mol¨¦culas en acci¨®n. Los nuevos l¨¢ser de rayos X con pulsos todav¨ªa m¨¢s cortos abren nuevas perspectivas a nivel subat¨®mico de la materia. ?Habr¨¢ una revoluci¨®n, como ocurri¨® entonces en la qu¨ªmica y la biolog¨ªa?

El electr¨®n es el alma de cualquier proceso natural o artificial

En esta escala, la qu¨ªmica est¨¢ casi congelada en el tiempo

Si el uso de la luz solar o de un flas acoplado a una c¨¢mara r¨¢pida nos permite disfrutar de im¨¢genes congeladas en el tiempo de objetos macrosc¨®picos en movimiento, la invenci¨®n y el desarrollo de la tecnolog¨ªa l¨¢ser de femtosegundo nos permite ver c¨®mo se rompen y se forman enlaces qu¨ªmicos, tanto en mol¨¦culas sencillas como la de la sal de cocina, como en sistemas complicados como las mol¨¦culas implicadas en la visi¨®n. Un fem-tosegundo -10-15 segundos- es para un minuto tanto como es un minuto para la edad del universo. Esta ¨¢rea de la ciencia que vio la luz a principios de los a?os ochenta y que se desarroll¨® en los noventa, es conocida ahora como femtoqu¨ªmica con una extensi¨®n a la biolog¨ªa (femtobiolog¨ªa).

Fue Ahmed H. Zewail (premio Nobel de Qu¨ªmica en 1999) quien sent¨® sus bases y demostr¨® c¨®mo conseguir pel¨ªculas del movimiento de los ¨¢tomos en una reacci¨®n qu¨ªmica. El invento permiti¨® ver en secuencias at¨®micas c¨®mo muere una mol¨¦cula para formar otra. En trabajos recientes, el grupo de Zewail describi¨® el uso de la difracci¨®n de electrones resuelta en el tiempo para fotografiar las distancias entre ¨¢tomos enlazados y no enlazados (esto ¨²ltimo, novedoso) en una mol¨¦cula que evoluciona de manera muy r¨¢pida.

As¨ª, con l¨¢ser de decenas de femtosegundos y una t¨¦cnica de detecci¨®n muy r¨¢pida es posible obtener fotogramas a nivel at¨®mico de una reacci¨®n molecular. Sin embargo, para llevar este tipo de estudios a nivel subat¨®mico, es decir, caracterizar el movimiento de un electr¨®n en un ¨¢tomo, es necesario disponer de c¨¢maras y de l¨¢ser a¨²n m¨¢s r¨¢pidos. Usando el modelo m¨¢s sencillo para el comportamiento del electr¨®n podemos deducir que son necesarios l¨¢ser y c¨¢maras con resoluci¨®n de decenas hasta centenas de attosegundos (un attosegundo -10-18 segundos- es la mil¨¦sima parte de un femtosegundo) para caracterizar la din¨¢mica de un electr¨®n en su ¨®rbita. As¨ª, el invento de l¨¢ser de attosegundo abrir¨¢ una nueva ¨¦poca en las ciencias moleculares. Esto nos llevar¨¢ a la attof¨ªsica: es decir, el estudio de la din¨¢mica en una escala temporal muy corta que permitir¨¢ captar fotogramas del movimiento interno (dentro del ¨¢tomo) y externo (entre ¨¢tomos y mol¨¦culas) del electr¨®n, y la attoqu¨ªmica, como captar varias configuraciones electr¨®nicas de una mol¨¦cula.

Un importante avance en esta direcci¨®n (Nature, 29 de noviembre de 2001) ha sido la generaci¨®n y el uso de pulsos de l¨¢ser de 650 attosegundos de duraci¨®n por f¨ªsicos del Instituto de Tecnolog¨ªa Fot¨®nica de la Universidad de Viena (liderados por F. Krausz) y en colaboraci¨®n con otros grupos en Canad¨¢ (Instituto Steacie de Ciencias Moleculares) y en Alemania (Universidad de Bielfield). Meses antes (Science, 9 de marzo de 2001), el grupo de Krausz mostr¨® la posibilidad de obtener pulsos de rayos X cercanos a la frontera de los attosegundos. En junio de 2001 (Science, 1 de junio de 2001), investigadores en Francia y Holanda, liderados por H. G. Muller del Instituto de F¨ªsica At¨®mica y Molecular (Amsterdam), gener¨® un conjunto (tren) de pulsos de 250 attosegundos (arm¨®nicos de alto orden del fundamental) de duraci¨®n cada uno, al enfocar un l¨¢ser muy potente y muy corto en el tiempo en un gas noble (arg¨®n).

El problema entonces, y la clave del ¨¦xito, era c¨®mo aislar estos pulsos arm¨®nicos de su fundamental y poder medirlos y usarlos. Para conseguirlo, hace falta el uso de nuevos conceptos en ¨®ptica cu¨¢ntica aplicada a la mec¨¢nica cu¨¢ntica (interacci¨®n de un fot¨®n con un electr¨®n) y l¨¢ser rojos muy intensos y muy cortos cercanos al attosegundo y con pocos ciclos oscilatorios en la onda electromagn¨¦tica.

As¨ª, para producir fogonazos de rayos X de attosegundos de duraci¨®n, el grupo liderado por F. Krausz bombarde¨® los ¨¢tomos del gas noble ne¨®n con un l¨¢ser rojo muy potente y muy r¨¢pido. El l¨¢ser arranc¨® electrones del gas noble para que ¨¦stos colisionasen con los iones generados en el mismo, dando lugar a pulsos l¨¢ser arm¨®nicos de ¨®rdenes muy altos y de attosegundos de duraci¨®n. Estos arm¨®nicos situados en el extremo ultravioleta y rayos X tienen una frecuencia mayor y una longitud de onda 50 veces menor que las del l¨¢ser rojo incidente sobre el gas noble. El equipo aisl¨® entonces, por primera vez en la historia de los l¨¢ser, pulsos de 650 attosegundos para observar el car¨¢cter oscilatorio de la luz.

Fue Maxwell quien desde hace mucho tiempo dedujo te¨®ricamente el car¨¢cter oscilatorio de la luz, pero lo hizo bas¨¢ndose en la observaci¨®n de H. Hertz en 1888, cuando ¨¦ste constat¨® que la luz ultravioleta emitida por una descarga el¨¦ctrica influye en otra descarga el¨¦ctrica.

Adem¨¢s, el grupo citado estudi¨® con una resoluci¨®n temporal sin precedentes (150 attosegundos) la din¨¢mica del electr¨®n asociada a la fotoionizaci¨®n del gas noble kript¨®n.

En la escala de attosegundos, la qu¨ªmica (formaci¨®n y ruptura de enlaces qu¨ªmicos) est¨¢ casi congelada en el tiempo, y la ¨²nica din¨¢mica observable es la del electr¨®n, ya que ¨¦ste es m¨¢s veloz y menos pesado que el n¨²cleo. Aunque queda mucho camino por recorrer para llevar a cabo experimentos similares a los que se realizan actualmente en femtoqu¨ªmica y femtobiolog¨ªa, el invento de l¨¢ser de attosegundos permitir¨¢ un empuje hacia nuevos descubrimientos y avances cient¨ªficos y tecnol¨®gicos espectaculares. El electr¨®n, uno de los actores principales en estos nuevos l¨¢ser, es el alma de cualquier proceso natural o artificial. Observar y comprender su evoluci¨®n temporal dentro de un ¨¢tomo (transiciones entre ¨®rbitas) o en un conjunto de ¨¢tomos o mol¨¦culas es, sin duda, de gran importancia para muchas aplicaciones tecnol¨®gicas. As¨ª, se ha abierto una puerta experimental en el mundo de las ciencias subat¨®micas para contestar a preguntas de la ¨¦poca dorada de la f¨ªsica cu¨¢ntica y plantear otras nuevas al mundo de la attociencia.

Las fronteras en ciencias moleculares se renuevan cada d¨ªa. Si nuestro tren cient¨ªfico no es tan r¨¢pido como el de los dem¨¢s, la sociedad, sus pr¨®ximas generaciones y futuros cient¨ªficos y tecn¨®logos se quedar¨¢n sin alcanzar el nivel adecuado para viajar hacia nuevos territorios en ciencia y tecnolog¨ªa. Para evitarlo, ser¨¢n necesarios m¨¢s infraestructura, m¨¢s puestos de trabajo para investigadores y m¨¢s becas. Tambi¨¦n ser¨ªa necesario fomentar la cultura cient¨ªfica de la sociedad. La receta ya funciona en varios pa¨ªses de la Comunidad Europea que estos meses Espa?a preside. El actual porcentaje del producto interior bruto (PIB) dedicado a I+D (el 0,94%) est¨¢ muy por debajo de la media europea (un 1,9%). Me pregunto: nos conformamos con 'que inventen ellos' o como dijo Ernest Rutherford al principio del siglo pasado: 'No tenemos el dinero as¨ª que tenemos que pensar'. En cualquier caso, bienvenidos a la attociencia.

A. Douhal es profesor de Qu¨ªmica F¨ªsica y director del Laboratorio de Espectroscopia L¨¢ser Ultra-r¨¢pida en la Universidad de Castilla-La Mancha (Toledo).