Diapasón molecular: observando moléculas en tiempo real (II)

15/04/2014 0 comentarios
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Hemos imaginado de forma muy general en el post anterior dos experimentos que nos permitirían medir la frecuencia de vibración de un diapasón, el cual nos sirve de análogo de una molécula. La primera opción consistiría en utilizar una onda continua a una frecuencia determinada que iríamos variando hasta entrar en resonancia con el diapasón. La otra opción consistiría en utilizar un pulso corto que contuviera una amplio rango de frecuencias. Vimos que las dos formas nos proporcionaron en última instancia la misma información.  

¿Por qué utilizar entonces un pulso si la misma información la habíamos obtenido escaneando todas las frecuencias de forma continua en nuestro primer experimento? Imaginemos que nuestro diapasón es tal que sus dos brazos pueden oscilar uno respecto al otro por ejemplo con una bisagra y que al cambiar el ángulo entre los brazos del diapasón su frecuencia de vibración también cambia. Como afinador de instrumentos no será un objeto muy útil, pero sigamos. Ahora imaginemos (aquí estamos llevando la analogía un poco al límite, lo reconozco) que un primer pulso sonoro es tal que actúa sobre la bisagra y el diapasón se abre, pasa por una configuración lineal y se cierra de nuevo. Lo que queremos es obtener información de la frecuencia de vibración del objeto cerca de la geometría lineal (nuestro análogo del estado de transición en una reacción química). Para ello utilizamos un sCronómetroegundo pulso con un tiempo de retraso determinado respecto del primero. El segundo pulso tiene que ser bastante más corto que la duración del cambio que queremos observar para poder seguirlo de forma nítida. El experimento lo repetimos para varios tiempos de retraso entre el primer pulso, llamado "pump" en inglés y que determina el momento en el cual el cronómetro empieza a contar, y el segundo pulso, llamado "probe" de forma que seguimos la evolución del diapasón en el tiempo a medida que sus brazos cambian de ángulo. En el caso molecular se necesitan pulsos del orden de femtosegundos para detectar cambios de geometría en moléculas a medida que éstos suceden.  El campo de la química física que se ocupa de estudiar la evolución de sistemas moleculares en tiempo real es la llamada femtoquímica, campo en el cual Ahmed Zewail recibió el Premio Nobel de química en 1999 por sus contribuciones fundacionales.

Con esta analogía hemos visto como funcionan los experimentos de tipo "pump-probe", los cuales permiten revelar la evolución temporal de sistemas moleculares después de ser excitados por un primer pulso luminoso. Multitud de procesos como la visión, la captación de energía solar por las plantas, etc.  son de tipo foto-químico, es decir que empiezan con la absorción de luz, y son un blanco ideal para estudios con técnicas como las descritas con nuestra analogía: un primer pulso inicia un proceso químico y un segundo pulso interroga al sistema después de un tiempo determinado. En los últimos veinte años el campo de la femtoquímica ha contribuido de forma espectacular a nuestra comprensión del funcionamiento de la materia a escala molecular.

Hoy en día la nueva frontera está en "visualizar" en sentido literal a los átomos a medida que cambian de posición, es decir no solamente en medir frecuencias a medida que la molécula cambia, sino ver a la molécula cambiar. A esto se lo ha bautizado como la película molecular o "molecular movie" y hay diversos frentes abiertos para realizarla, entre los cuales la difracción de rayos x ultrarrápida. En otro post os lo cuento.