"¿Cómo se puede ver en tiempo real el movimiento de algo que ocurre en la escala de attosegundos?"

Fernando Martín García, catedrático de Química la Universidad Autónoma de Madrid, director científico de IMDEA Nanociencia y Synergy Grant del Consejo Europeo de Investigación (ERC)

Usted ha sido reconocido con premios y galardones por  el establecimiento de los fundamentos teóricos de una nueva disciplina científica, la attoquímica ¿Nos puede explicar en qué consiste?

La attoquímica es la aplicación de la ciencia de attosegundos al estudio de problemas de interés químico. Un attosegundo es 10-18 segundos, es decir 0,000000000000000001 segundos. Un attosegundo es en relación a un segundo lo mismo que un segundo a la edad del universo.

Es decir, que a cualquier cosa que ocurra a la escala de attosegundos, un segundo le parece tiempo infinito. Entonces ¿qué ocurre en la naturaleza en una escala de tiempo tan corta? Lo que ocurre es que los electrones, que son una de las partículas elementales que componen la materia, se mueven en esa escala de tiempos.

Un electrón, por ejemplo, da una vuelta alrededor de un núcleo atómico en aproximadamente centenares de attosegundos. Ese movimiento es el que determina el comportamiento químico de las sustancias. Por lo tanto, si queremos entender bien este comportamiento químico, tenemos que visualizar ese movimiento, algo que hasta hace muy pocos años no era posible.

¿Qué aplicaciones tiene o tendrá esta nueva disciplina?

Esta es una disciplina que acaba de nacer. De hecho, justo hace dos años escribí un artículo en Investigación y Ciencia que se titula “El nacimiento de la attoquímica”. Es algo en lo que estamos empezando, pero el objetivo es muy claro.

Si el comportamiento químico de las sustancias depende de cómo se mueven los electrones y somos capaces de ver ese movimiento en tiempo real, tendremos la capacidad de modificarlo. Es decir, conseguiremos que los electrones se muevan de una manera que no es la manera natural en que ellos se moverían en esas sustancias. Podremos así transformar su comportamiento químico, es decir, modificar el modo en que las moléculas que componen estas sustancias van a reaccionar, lo que abre las puertas a una nueva química completamente distinta a la que conocemos. Por tanto, se abren posibilidades de sintetizar sustancias nuevas, imposibles de sintetizar hasta ahora.

O, al contrario, podemos evitar algunas reacciones que no queremos que sucedan, como las que producen enfermedades, modificando el movimiento de los electrones en las moléculas que componen nuestro cuerpo. Suena un poco a ciencia ficción, pero es uno de los objetivos finales de esta ciencia.

Según ha manifestado, los próximos pasos en esta disciplina apuntan a la utilización de las técnicas de la attoquímica para impedir reacciones que se producen de manera natural pero que conducen a efectos no deseados en la materia viva o, recíprocamente, para inducir reacciones químicas que actualmente son imposibles, lo que podría dar lugar a la producción de nuevas sustancias o materiales. ¿Nos puede explicar esto procesos con ejemplos prácticos?

Hay muchos ejemplos que se pueden poner, aunque todavía no tenemos la solución a ninguno de ellos. En primer lugar un ejemplo conocido por casi todo el mundo es la utilización de radiación de rayos-X para curar tumores. Algunos rayos-X ionizan las moléculas, generan electrones que escapan de ciertas moléculas que hay en el organismo dañando las células cancerosas.


Si el comportamiento químico de las sustancias depende de cómo se mueven los electrones y somos capaces de ver ese movimiento en tiempo real, tendremos la capacidad de modificarlo.

El grado de control que se tiene sobre cómo se produce ese daño es bastante alto, pero está limitado por muchos factores. Uno de ellos es que no se sabe muy bien cómo se generan los electrones. Y, como ya he dicho, todo lo que tenga que ver con electrones ocurre en la escala de attosegundos. Entonces, entender cómo se generan los electrones e intentar manipular la manera en que se generan puede repercutir en el daño que ejerzan esos electrones en las células que lo rodean. Y, por tanto, a lo mejor se podría conseguir que estos electrones produjeran un daño más selectivo en ciertas zonas. En esto estamos aún muy lejos. Pero es simplemente un ejemplo.

Otro ejemplo bien conocido es que en la naturaleza hay materiales muy raros y escasos que se utilizan para sintetizar nuevos productos. Una alternativa sería utilizar sustancias mucho más abundantes que, tras manipular el comportamiento de sus electrones de una manera controlada, pudieran comportarse de manera que esa síntesis se produjera. Eso conduciría a un abaratamiento enorme de los costes de producción de algunas sustancias, y sería aplicable desde a problemas de catálisis, de síntesis de fármacos, de síntesis de productos industriales o químicos, etc.

La medida y control del movimiento electrónico en estructuras moleculares complejas supone un reto formidable. ¿Estamos ante un nuevo reto de la ciencia?

Sí, creo que se puede considerar un nuevo reto de la ciencia que ha surgido ya en este siglo XXI. ¿Cómo se puede ver en tiempo real el movimiento de algo que ocurre en la escala de attosegundos?  Si uno quiere ver en una película el movimiento de un objeto que se mueve muy rápido hay que sacar muchos fotogramas en intervalos de tiempo muy cortos. Eso se puede llevar hasta ciertos límites con los procedimientos ópticos habituales.

Esas películas de gotas cayendo en un barreño en las que se ve cómo saltan las gotitas formando una especie de cráter están hechas con cámaras ultrarrápidas, que sacan muchísimos fotogramas por segundo. Pero con este tipo de técnicas lo más que uno puede llegar es al milisegundo pero no mucho más. Entonces, ¿cómo sacar no miles, sino millones de millones de fotogramas en un segundo en una escala de tiempo tan corta?

El consorcio del que usted es coordinador ha obtenido financiación del Consejo Europeo de Investigación (ERC) , concretamente una ayuda Synergy Grant para el desarrollo del proyecto TOMATTO. ¿En qué consiste?

El proyecto TOMATTO estudia una vertiente particular de estos conceptos generales que he dicho. El término TOMATTO está formado por iniciales del título en inglés “The ultimate Time scale of Organic Molecular opto-electronics, the ATTOsecond”. Este proyecto pretende estudiar cómo se transfieren los electrones de sistemas donores a sistemas aceptores en células fotovoltaicas. En países como España la fotovoltaica es una tecnología que se está expandiendo muy rápidamente. La energía eléctrica se produce simplemente porque el sol irradia luz, haciendo que los electrones se muevan y al moverse produzcan corriente eléctrica. El rendimiento de las células fotovoltaicas actuales es todavía del orden del 20%. La mayor parte de la energía del sol se pierde porque hay procesos que hacen que la corriente eléctrica que se tenía que generar se disipe de alguna manera. Nosotros queremos estudiar qué es lo que se puede hacer para que los electrones no disipen esa energía trabajando en la escala de attosegundos, que es cuando se generan los primeros impulsos de la corriente eléctrica.  Y ello utilizando luz visible y ultravioleta, como la que genera el sol.

¿Qué supondrá para la investigación que viene desarrollando en los últimos años la obtención de esta subvención del ERC? ¿Y, en particular, cómo le permitirá seguir avanzando en el desarrollo de nuevos experimentos de attosegundos?

Este es un proyecto de investigación muy fundamental pero que tiene presente también las posibles aplicaciones. Un proyecto como este solo se puede abordar si uno tiene un largo plazo para desarrollarlo y el proyecto de Synergy Grant tiene una duración de seis años mínimo. Eso permite a un grupo como el nuestro apostar a medio y a largo plazo. Es un proyecto que, además, no puede desarrollar un solo grupo de investigación, sino que hace falta la colaboración de varios, de ahí el nombre de Synergy Grant. Este proyecto en concreto agrupa a tres grupos de investigación. El nuestro lleva ya trabajando muchos años en problemas de ciencia de attosegundos y se encarga de todas las modelizaciones computacionales y del análisis y la predicción de lo que puede ocurrir antes de que ocurra. Involucra también al grupo del profesor Nazario Martín de la Universidad Complutense de Madrid y de IMDEA Nanociencia, que fabrican los sistemas electrónicos o fotovoltaicos que nosotros queremos estudiar. E involucra al Instituto Politécnico de Milán, en concreto al grupo del profesor Mauro Nisoli, uno de los pioneros en la generación de pulsos de luz de attosegundos y que, con la financiación que hemos recibido, va a construir un láser único en el mundo que va a permitir estudiar este tipo de problemas. Ninguno de los tres grupos puede abordar un problema como éste por sí solo. Y es la reunión de los tres lo que esperamos que nos permita llegar al final de esta historia.

¿Algo más que añadir?

Ha sido un placer para mí contarles de una manera muy superficial lo que intentamos hacer en nuestro grupo de investigación a través de los distintos proyectos, en concreto este proyecto de Synergy Grant. También quiero decir que algunas de las películas que nosotros hacemos con nuestros superordenadores muestran cómo se mueven los electrones en algunas moléculas. Lo estamos poniendo a cámara lenta para que se pueda ver, porque está ocurriendo en centenares de attosegundos. Si lo proyectáramos a tiempo real no veríamos nada. Esperemos que estas películas, aparte de su belleza, nos permitan hacer cosas útiles, que es lo que buscamos en estos proyectos.

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