Qu¨ªmica bajo control

Aunque parezca parad¨®jico, uno de los sue?os de la f¨ªsica moderna es ejercer control sobre la qu¨ªmica. Para un qu¨ªmico es habitual tratar de maximizar o minimizar determinados productos en una reacci¨®n. T¨¦cnicas habituales que condicionan las reacciones usan de modo inteligente variables macrosc¨®picas, como temperatura, presi¨®n o concentraci¨®n; de este modo, sin embargo, la naturaleza cu¨¢ntica que gobierna el curso microsc¨®pico de la reacci¨®n qu¨ªmica no es manipulable.

?Y por qu¨¦ no usar la luz de un l¨¢ser para controlar la reacci¨®n? Esta fue la pregunta que se hicieron los cient¨ªficos a finales de los 60, cuando el primer l¨¢ser lleg¨® al mercado. Los ¨¢tomos que forman una mol¨¦cula est¨¢n unidos por "muelles" que vibran con una determinada frecuencia. Por tanto, un l¨¢ser con una frecuencia igual a la frecuencia con la que vibra un enlace, deber¨ªa romper dicho enlace, formando un producto espec¨ªfico. Desgraciadamente, todos los enlaces de la mol¨¦cula interaccionan entre s¨ª, y los experimentos mostraron que la energ¨ªa aportada a un determinado enlace se redistribuye r¨¢pidamente entre los dem¨¢s, calentando uniformemente el sistema sin lograr control alguno. El control cu¨¢ntico parec¨ªa relegado a una quimera te¨®rica.

Casi 30 a?os despu¨¦s, con el comienzo del nuevo milenio, los l¨¢seres de femtosegundo han hecho renacer el sue?o del control cu¨¢ntico. Un femtosegundo es tan corto como 0,000000000000001 segundos. Las distancias que los ¨¢tomos recorren en una reacci¨®n qu¨ªmica son de unos pocos angstroms (un angstrom equivale a 0,0000000001 metros) y, puesto que la velocidad de los ¨¢tomos es de unos pocos centenares de metros por segundo, el viaje completo de los n¨²cleos at¨®micos en una reacci¨®n ocurre en un tiempo r¨¦cord de unos pocos cientos de femtosegundos. Si queremos producir una pel¨ªcula a "c¨¢mara lenta" de lo que sucede desde los reactivos a los productos, es necesario tomar instant¨¢neas al menos a la misma velocidad a la que se mueven los ¨¢tomos, es decir, en una escala de femtosegundos. Esto es lo que hizo Ahmed H. Zewail en su laboratorio del Instituto Tecnol¨®gico de California en Pasadena (EE.UU.), por lo que se le otorg¨® el Premio Nobel de Qu¨ªmica en 1999, fundando as¨ª una nueva ciencia: la femtoqu¨ªmica.

Pero si es posible observar ¨¢tomos en movimiento utilizando pulsos l¨¢ser de femtosegundo, tambi¨¦n deber¨ªa ser posible gobernar microsc¨®picamente-o cu¨¢nticamente-una reacci¨®n con tales pulsos. Aprendiendo de la biolog¨ªa, el control cu¨¢ntico emplea ahora sistemas de auto-aprendizaje que buscan iterativamente pulsos ¨®ptimos. Estos pulsos tan cortos contienen un amplio espectro de colores, y cada color puede manipularse independientemente aplicando un peque?o voltaje que induce un recorrido ¨®ptico distinto. ?Qu¨¦ color del pulso hace falta y c¨®mo debe ser su recorrido para que un enlace se rompa y otros no? A priori, es imposible predecirlo. Sin embargo, en el laboratorio no hace falta saberlo. Un ordenador programado con algoritmos de evoluci¨®n gen¨¦tica dicta el camino ¨®ptico y comprueba en cada iteraci¨®n si dicho pulso conduce al objetivo deseado, cambiando el pulso hasta que se alcance el m¨¢ximo rendimiento en el producto de inter¨¦s. La primera verificaci¨®n experimental de tan ladino procedimiento se realiz¨® en 1998 en la Universidad de W¨¹rzburg (Alemania).

Estos algoritmos automatizados fabrican pulsos l¨¢ser a medida, pero no desvelan la patente de c¨®mo tales pulsos funcionan. Sin embargo, si en el futuro se quisiera utilizar esta t¨¦cnica en la s¨ªntesis industrial, por ejemplo, de f¨¢rmacos, ser¨ªa necesario comprender las interacciones moleculares que dichos pulsos ¨®ptimos generan. El primer paso en esta direcci¨®n ha sido realizado con el esfuerzo conjunto de f¨ªsicos experimentales y qu¨ªmicos te¨®ricos de la Universidad Libre de Berl¨ªn, descifrando por primera vez el mecanismo de interacci¨®n de un pulso l¨¢ser ¨®ptimo con una mol¨¦cula e interpretando la melod¨ªa del espectro de colores de la luz l¨¢ser. Estos resultados han sido publicados recientemente en la prestigiosa revista Science (Science 299 (2003) 536).

Se trata de un primer hito en la comprensi¨®n de c¨®mo interaccionan los pulsos ¨®ptimos con la materia, pero hacen falta muchos m¨¢s ejemplos para sistematizar el control cu¨¢ntico y convertirlo en una nueva v¨ªa hacia la qu¨ªmica de dise?o que permita manipular sistemas biol¨®gicos y farmacol¨®gicos. Deseamos resaltar que estas nuevas tecnolog¨ªas l¨¢ser est¨¢n ya disponibles en el Laboratorio de Femtoqu¨ªmica de la Universidad Complutense de Madrid, donde pr¨®ximamente podr¨¢n abordarse experimentos en esta l¨ªnea de investigaci¨®n.

Luis Ba?ares es profesor titular de Qu¨ªmica F¨ªsica en la Universidad Complutense de Madrid, y Leticia Gonz¨¢lez es profesora ayudante de Qu¨ªmica en la Universidad Libre de Berl¨ªn