Attoquímica, química ultrarrápida
Mediante pulsos de luz de brevísima duración (attosegundos), se ha conseguido visualizar el movimiento de los electrones en los átomos. Este avance permitirá el contro de reacciones químicas y la síntesis de compuestos muy complejos.
En un post anterior, sobre lo 'muy pequeño', veíamos qué era un attosegundo:
Attosegundo (símbolo as): 10-18 segundos. Esto significa que en 1 segundo hay 1000000000000000000 attosegundos. Es una trillonésima de segundo. En un attosegundo, la luz recorre una longitud equivalente a tres átomos de hidrógeno.
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En 1923, el fisico danés Bohr, introducía el concepto de 'sistema planetario' en la descripción del átomo. Suponía que alrededor del núcleo, muy pesado, giraban los electrones a enorme velocidad y, en función de ésta, a diferente distancia. Sin embargo, no todas las distancias estaban permitidas. Esta idea introdujo el concepto de 'cuantización' utilizado en posteriores teorías de la Física Cuántica.
Modelo atómico de Bohr
Los movimientos de los electrones en el modelo de Bohr son enormemente rápidos. Un electrón, en la órbita más próxima al núcleo, emplea 0,000000000000000152 segundos, 152 as (attosegundo) en recorrerla. Empleando el símil del Sistema Solar, ese tiempo es lo que denominamos 'año solar'. Este valor es aún más pequeño en átomos más pesados. Por el contrario, el movimiento de los núcleos, mucho más pesados, es muchísimo más lento. Un protón es unas 1800 veces más masivo que un electrón.
Como consecuencia de los anteriores valores, el movimiento de un núcleo de hidrógeno es mucho más lento (a igual cantidad de movimiento, su velocidad es unas 1800 veces menor. Sus desplazamientos de miden en femtosegundos (Fentosegundo: 10-15 segundos, milbillonésima de segundo. En un femtosegundo la luz recorre sólo 0,3 milésimas de milímetro).
Las reacciones químicas son procesos en los que uno enlaces entre átomos se rompen y se forman otros nuevos, dando lugar a compuestos diferentes.
Desde principios del siglo XXI, se han conseguido tecnologías que permiten la emisión de pulsos de luz ultravioleta o de rayos X de una duración de varios cientos de attosegundos. En Salamanca, España, tenemos un láser pulsado que emite, como su nombre indica, pulsos de brevísima duración, 30 femtosegundos, alcanzando potencias increíblemente altas, del orden del petavatio (1015 vatios). Esas potencias enfocadas sobre cualquier material, crean unas condiciones similares a las del big bang en las que las subpartículas son despedidas a velocidades próximas a las de la luz. Emite en una longitud de onda de 800 nm (nanometros). Esta tecnología ha permitido acercarse a la visualización del movimiento de los electrones y a la posibilidad de sintetizar sustancias químicas imposibles mediante reacciones químicas tradicionales y a evitar reacciones químicas no deseadas: Attoquimica.
Imagen de Agenciasinc
Estos principios chocan con algo muy conocido de la Física atómica: La incidencia de radiaciones electromagnéticas de muy baja longitud de onda, altera de modo notable la realidad del átomo. Por este motivo, el tiempo de duración del impulso de luz ha de ser menor que el tiempo que necesita el átomo para moverse y evitar que la imagen 'aparezca movida'. Recordemos que la energía de una radiación es directamente proporcional a la constante de Planck y a la frecuencia de la radiación. Por tanto cuanto mayor sea la frecuencia, más energética es la radiación y los efectos que produce al incidir sobre la materia. Recordemos el Principio de Incertidumbre de Heisenberg que relaciona posición de una partícula con su velocidad (cuanto mas conocemos una de estas magnitudes, menos sabemos de la otra).
Los láseres de femtosegundos son herramientas ideales para filmar los movimientos de los núcleos atómicos mediante una cámara de femtosegundos.
El inventor de la cámara de femtosegundos fue Ahmed Zewail (Egipto, Nobel de Química en 1999), del Instituto de Tecnología de California.
"En estas cámaras funcionan mediante el proceso llamado "bombeo sonda" (pump-probe). Se envía un pulso láser (similar a un flash brevísimo) de pocos femtosegundos de duración (el pulso de bombeo). Al irradiar la molécula, induce el movimiento en los núcleos atómicos que la componen. A continuación, un segundo pulso de parecida duración (la sonda), capta una imagen de los núcleos en un instante concreto tras la perturbación causada por el primer pulso. Esta «fotografía» de la molécula no se obtiene del modo usual. Se genera al detectar los electrones emitidos y los iones que se forman como resultado de la interacción entre el compuesto y el pulso sonda. Gracias a una combinación de campos eléctricos y magnéticos, estas partículas con carga eléctrica se dirigen hacia un conjunto de detectores que miden sus posiciones y momentos. Ello permite reconstruir su trayectoria hasta el detector y, de esta manera, puede deducirse dónde se encontraban en el instante en el que el pulso sonda incidió sobre la molécula. Este tipo de detectores son similares a los que se emplean en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, solo que en versión de bolsillo".
Así se obtiene una imagen de la molécula en un instante concreto tras la interacción con el pulso de bombeo. Para filmar una película basta con repetir el proceso una y otra vez, partiendo siempre de las mismas condiciones iniciales, e ir variando el intervalo de tiempo que media entre el pulso de bombeo y la sonda. Eso permite conseguir una sucesión de imágenes que, ordenadas en el tiempo y proyectadas una tras otra, componen una película del movimiento de los núcleos. Por lo general, estas filmaciones constan de entre unas decenas y varios centenares de imágenes, aunque no hay ninguna dificultad técnica que impida obtener muchas más.
La primera película de attosegundos demostró que las técnicas de bombeo-sonda constituían una herramienta adecuada para visualizar el movimiento de los electrones en moléculas sencillas. No obstante, en los procesos químicos de interés que tienen lugar en la naturaleza intervienen compuestos mucho más complejos. Por tanto, el siguiente paso consistió en emplear esas mismas técnicas para analizar el movimiento electrónico en moléculas de mayor tamaño. En 2014, en otra colaboración cuya parte experimental fue liderada por Mauro Nisoli, del Instituto de Fotónica y Nanotecnología de Milán, efectuamos el primer análisis de attosegundos de una molécula de interés biológico, el aminoácido fenilalanina: un pulso ultravioleta de unos 300 attosegundos arrancaba un electrón dela molécula, y la dinámica electrónica generada en el ion resultante se fotografiaba a intervalos de attosegundos mediante pulsos infrarrojos de femtosegundos de duración.
La observación de estas partículas no nos proporciona de manera directa ninguna película del movimiento de los electrones o de los núcleos. Para entender lo que sucede, necesitamos unas gafas especiales. Esas gafas se obtienen resolviendo la ecuación fundamental de la física cuántica, la ecuación de Schrödinger.
No deja de resultar irónico que, para describir el movimiento electrónico durante unos pocos attosegundos, los cálculos necesarios para resolver la ecuación de Schrödinger requieran millones de horas (cientos de años) en un procesador de última generación. Así pues, la única manera de reducir la duración de estos cálculos consiste en emplear miles de ordenadores de manera simultánea y repartir de manera eficiente las tareas de cálculo entre ellos. Esta técnica recibe el nombre de computación en paralelo. Así, para un cálculo que requiriese mil horas en un procesador, la correcta distribución del trabajo entre mil procesadores nos permitirá obtener el resultado en solo una hora.
"Los resultados obtenidos al resolver la ecuación de Schrödinger reveló que las fluctuaciones de carga eléctrica se producían alrededor de cualquiera de los grupos funcionales del compuesto (los átomos o grupos de átomos que determinan las propiedades principales de la molécula). Además, esas fluctuaciones cambiaban con enorme rapidez. Este resultado es totalmente contraintuitivo, ya que, en general, cada grupo funcional presenta una afinidad distinta por la carga eléctrica, habiendo grupos que muestran una mayor preferencia por alojar un exceso de carga que otros. De hecho, son estas diferencias en la afinidad electrónica las que nos permiten distinguir entre ácidos y bases, o entre oxidantes y reductores. No obstante, estas propiedades aparecen como resultado de un promedio temporal, que es lo que en realidad observamos cuando trabajamos en escalas de tiempo mucho mayores. Nuestros experimentos demostraron que, si somos capaces de resolver con una precisión de attosegundos cómo se distribuye la carga eléctrica en una molécula, los grupos funcionales que en pro-medio sienten afinidad por la carga negativa pueden albergar transitoriamente una carga positiva, y viceversa.Esto último abre la puerta a un gran número de posibilidades. Si fuésemos capaces de intervenir durante los breves instantes en los que un grupo de átomos alberga una carga «equivocada», la química resultante sería completamente distinta de la que conocemos. Ello podría aprovecharse para forzar reacciones que no ocurren de forma natural, así como para suprimir otras que sí se producen. Por ejemplo, cabría conseguir que un ácido actuara de manera transitoria como una base o que las bases se comportaran como ácidos."
Gracias al descubrimiento de los pulsos de luz de attosegundos, en los últimos años se ha comenzado a visualizar y filmar el movimiento de los electrones en el seno de átomos y moléculas. Las investigaciones efectuadas hasta ahora han demostrado que esta técnica puede aplicarse tanto a moléculas sencillas como a otras mucho más complejas y de interés biológico. Sumado a los espectaculares avances en la visualización de paquetes de onda electrónicos, todo ello ha dado lugar al nacimiento de una nueva disciplina: la attoquímica, basada en el uso de láseres de attosegundos y en la supercomputación. Por primera vez en la historia, nos hallamos ante la posibilidad de modificar las propiedades químicas y el comportamiento de las moléculas. A pesar de los retos científicos y técnicos aún pendientes, no cabe duda de que todos estos avances auguran un impacto enorme en la química de los próximos años.
Ismael Camarero.
Fuentes:
Láseres pulsados de Salamanca (España):
Revista "Investigación y Ciencia", enero de 2019.
Attoquímica:
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