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1 de Enero de 2019
Química

El nacimiento de la attoquímica

Los pulsos de luz con duración de attosegundos han permitido observar y gobernar el movimiento de los electrones en la materia. El hito abre la puerta a la síntesis de nuevos compuestos y al control de reacciones químicas.

Iluminar la vida de las moléculas: Varios avances recientes han conseguido visualizar y controlar el comportamiento de los electrones en moléculas complejas. Esta imagen reproduce las fluctuaciones de carga (amarillo y azul) observadas en una molécula de fenilalanina, un aminoácido. [CORTESÍA DE FERNANDO MARTÍN GARCÍA]

En síntesis

El movimiento de los electrones en átomos y moléculas procede en escalas de tiempo de attosegundos, o trillonésimas de segundo. Hasta hace poco, no existían los medios para estudiar su comportamiento en tiempo real.

Esa situación ha cambiado en los últimos años. La creación de láseres capaces de generar pulsos de luz de pocos attosegundos de duración ha permitido obtener las primeras imágenes nítidas del movimiento electrónico.

Además de visualizar los electrones, los mismos métodos permiten controlar su movimiento. Ello ha brindado la posibilidad de alterar los enlaces químicos de una molécula y, con ello, sus características químicas y su reactividad.

En 1913, para explicar algunas características inusuales del átomo de hidrógeno, Niels Bohr introdujo un modelo atómico «planetario» del átomo en el que el electrón, en contra de lo predicho por la física clásica, solo podía desplazarse a lo largo de ciertas órbitas muy concretas. Esta cuantización del movimiento electrónico abrió un nuevo capítulo en la física y la química, sin el cual no habría sido posible alcanzar el conocimiento y el control sobre la materia del que disponemos hoy.

En el modelo de Bohr todo sucede con enorme rapidez: el «año sideral» de la órbita más próxima al núcleo (es decir, el tiempo que tarda el electrón en recorrerla) se reduce a 0,000000000000000152 segundos, o 152 attosegundos. Dicho valor es aún menor cuando consideramos elementos químicos más pesados. El attosegundo (una trillonésima de segundo, o 10–18 segundos) es, por tanto, la escala de tiempo natural en la que se desarrolla el movimiento de los electrones en la materia. Para hacernos una idea de su magnitud, pensemos que un attosegundo es a un segundo lo mismo que un segundo a dos veces la edad del universo. Como consecuencia, en lo que respecta al movimiento de los electrones, un segundo constituye a todos los efectos prácticos un tiempo equivalente a infinito. Estas cifras ilustran el reto científico y técnico que supone medir tiempos a esta escala tan diminuta.

Sin embargo, tales escalas son clave en química. Todas las reacciones se deben a la ruptura y a la formación de enlaces, los cuales determinan por completo la estructura y la reactividad de un compuesto, desde el agua hasta el ADN. Y los responsables de que los enlaces se formen o se rompan son los electrones. Así, la reactividad química obedece a un proceso dinámico que resulta del movimiento combinado de electrones y núcleos atómicos.

El movimiento de estos últimos es notablemente más lento que el de los electrones, ya que se trata de partículas mucho más pesadas. El protón, el núcleo más ligero que existe, es unas 1800 veces más masivo que el electrón, por lo que, a igual cantidad de movimiento (el producto de la masa por la velocidad), su velocidad será unas 1800 veces menor. Como consecuencia, el desplazamiento de los núcleos atómicos procede en escalas de tiempo de femtosegundos (10–15 segundos, un tiempo mil veces mayor que el attosegundo). Hace ya algunas décadas que se conocen técnicas para analizar lo que ocurre en el mundo atómico a escalas de tiempo de femtosegundos. Sin embargo, hasta hace poco carecíamos de procedimientos para ampliar dichos métodos a la escala del attosegundo.

Desde comienzos del siglo XXI se han desarrollado herramientas que permiten generar pulsos de luz ultravioleta o de rayos X con una duración de cientos de attosegundos. El efecto ejercido por estos pulsos ha comenzado a revolucionar nuestra visión de la química, ya que, por primera vez, ha abierto la puerta a visualizar y controlar el movimiento de los electrones en átomos y moléculas. En particular, el uso de láseres de attosegundos ha abierto la posibilidad de producir sustancias que no pueden sintetizarse mediante procedimientos tradicionales, así como la de suprimir reacciones indeseadas que ocurren de forma natural. Todo ello ha llevado al nacimiento de una nueva disciplina científica: la attoquímica.

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