En este post me gustaría introducir algunos conceptos sobre el estudio de la dinámica de procesos químicos en tiempo real, la femtoquímica, con una analogía basada en un objeto macroscópico. Actualmente el desarrollo de nuevas fuentes de radiación electromagnética de todo tipo, desde láseres de laboratorio en el infrarrojo o visible hasta láseres de electrones libres, se centra en conseguir pulsos cada vez más cortos, coherentes e intensos para estudiar la evolución de la materia a escala microscópica en tiempo real.

Seguramente conocéis lo que es un diapasón. Se trata de un artilugio metálico en forma de U el cual al ser golpeado vibra con una frecuencia predeterminada, Diapasónnormalmente 440 hercios (gracias wikipedia) o ciclos por segundo, y que es utilizado para afinar instrumentos musicales. El diapasón será nuestro análogo de una molécula, por ejemplo una molécula diatómica, en la cual sus dos átomos vibran uno respeto al otro con una frecuencia determinada dependiente de las masas de los átomos y la fuerza del enlace químico entre ellos.

Nuestro análogo de un experimento de espectroscopia (estudio de la interacción entre radiación y materia, normalmente con la finalidad de revelar propiedades de las moléculas o materiales) consistirá en descubrir a que frecuencia vibra un diapasón escondido en una caja y que no podemos ver o tocar. Esto es precisamente lo que sucede con las moléculas, que son demasiado pequeñas para ser vistas directamente.

Plantearemos dos experimentos imaginarios:

Un posible experimento consistiría en utilizar un altavoz, nuestro análogo de una fuente de luz, e ir variando la frecuencia de las ondas sonoras gradualmente hasta pasar por la frecuencia natural del diapasón. Sólo en este momento éste entraría en resonancia con las ondas sonoras y empezaría a vibrar, absorbiendo así una parte de la energía emitida por el altavoz. Con la instrumentación adecuada podríamos detectar que una parte de energía de las ondas sonoras fue absorbida a y así habríamos medido la frecuencia de vibración del diapasón.  El procedimiento análogo con ondas electromagnéticas nos revelaría las frecuencias a las cuales moléculas y materiales absorben radiación, proporcionando así información sobre enlaces químicos y otras propiedades relacionadas con la estructura de capas electrónica de la molécula en cuestión.

Otro experimento, éste análogo a utilizar pulsos del orden de femtosegundos para examinar las moléculas, consistiría en generar y mandar con nuestro altavoz un pulso sonoro muy corto (más bien una onda de choque). Los pulsos tienen la característica de contener un rango de frecuencias muy amplio (si os suena de algo recordad las relaciones Fourier entre el espacio de tiempo y de frecuencias, sino olvidadlo). De hecho casi que nos podríamos imaginar que golpeamos el diapasón con un martillo. El diapasón empezaría a vibrar con su frecuencia natural después de ver pasar el pulso ya que éste contiene tal frecuencia y lo podríamos detectar, habiendo determinado nuevamente la frecuencia de vibración del diapasón.

La clave de la diferencia entre los dos procedimientos está en que en el primero utilizamos una onda continua con una frecuencia determinada, la cual vamos escaneando poco a poco. En el segundo caso mandamos todas las frecuencias concentradas en un pulso muy corto. En el post siguiente veremos qué uso tiene el segundo procedimiento para estudios de femtoquímica.

Oriol Vendrell
Oriol Vendrell

Investigador y jefe de grupo en la División de Teoría del Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) en el centro de sincrotrón alemán (DESY) en Hamburgo. Químico teórico.

Nos preguntamos cómo funciona la materia a escala atómica y cómo la podemos comprender mejor con las modernas fuentes de luz basadas en aceleradores de electrones. Utilizamos herramientas teóricas y simulaciones e intentamos convencer a nuestros colegas experimentales para que se aventuren a experimentos imposibles.

Sobre este blog

Enzimas rompen y forman enlaces químicos, cargas eléctricas cruzan membranas moleculares, electrones fluyen sin resistencia a través de superconductores, y nosotros asistimos estupefactos al espectáculo. La comprensión y el control del funcionamiento de la materia a escala atómica es uno de los grandes retos de la ciencia actual. ¡Allá vamos!

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