Nace la attoquímica, la química ultrarrápida

Un artículo publicado en la revista Chemical Reviews, dirigido por Fernando Martín de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) e IMDEA Nanociencia, y por Mauro Nisoli del Instituto Politécnico de Milán, detalla las bases y los hitos más importantes de una nueva disciplina científica: la attoquímica.

En términos generales, esta disciplina persigue controlar y manipular el movimiento de los electrones que forman los enlaces químicos en las moléculas, utilizando pulsos de luz de attosegundos (1 attosegundo equivale a 10^-18segundos).

Según los autores, puesto que la estructura y reactividad de todas las sustancias está completamente determinada por las propiedades de dichos enlaces químicos, la attoquímica permitirá generar reacciones y sustancias no imaginadas hasta la fecha, lo que tendrá una incidencia directa en el desarrollo de nuevas sustancias y materiales, haciendo posible una mejor comprensión de los procesos electrónicos que ocurren en sistemas químicos y biológicos.

Se han conseguido las primeras observaciones en tiempo real de procesos de migración de carga en aminoácidos

El estudio documenta las primeras observaciones en tiempo real de procesos de migración de carga en moléculas de interés biológico (aminoácidos), con una resolución temporal sin precedente. Así mismo, muestra los primeros indicios de control en estos procesos de migración electrónica.

Estas observaciones se realizaron irradiando primero las moléculas con un pulso (o pulsos) de luz de attosegundos, seguido por un segundo pulso, de igual o mayor duración, que capta una imagen del movimiento electrónico en un instante concreto. La variación del intervalo de tiempo transcurrido entre el primer y el segundo pulso, proporciona una sucesión de imágenes del movimiento electrónico, lo que permite seleccionar el instante preciso en el que los electrones ocupan el lugar propicio para favorecer (o impedir) una determinada reacción química.

En palabras de Alicia Palacios, también investigadora de la UAM y coautora del trabajo, “además de proporcionar la película del comportamiento ondulatorio de los electrones y de las interferencias que dicho movimiento lleva implícitos, el elevado grado de control y la alta resolución temporal que proporciona la attoquímica permitirá desarrollar nuevas estrategias de control de las reacciones químicas inimaginables hace tan solo una década”.

La attoquímica persigue manipular el movimiento de los electrones que forman los enlaces químicos en las moléculas, utilizando pulsos de luz de attosegundos. / Mauro Nisoli et al./ Chemical Reviews

De la femtoquímica a la attoquímica

Las reacciones químicas son el resultado de la formación y rotura de los enlaces que mantienen unidos los átomos en una molécula, lo que da lugar a la creación de nuevas moléculas o nuevas sustancias.

La reactividad, esencia de la química, es un proceso dinámico que resulta del movimiento de electrones y núcleos atómicos. Estos movimientos se producen en escalas de tiempo ultrarrápidas, que van desde los femtosegundos (1 femtosegundo equivale a 10^-15segundos), típico del movimiento nuclear, hasta los attosegundos, típico del movimiento electrónico.

En este sentido, toda la química puede considerarse femtoquímica o attoquímica. La femtoquímica, nacida en la segunda mitad del siglo pasado, es ahora una disciplina científica bien establecida, cuyo principal objetivo es controlar una reacción química dirigiendo el movimiento de los núcleos de las moléculas involucradas utilizando para ello pulsos de luz de femtosegundos. Hoy en día, los láseres de femtosegundos son ampliamente utilizados en la mayoría de las áreas de las ciencias químicas y en multitud de laboratorios.

El siglo XXI ha traído de su mano notables progresos en la fabricación de fuentes de luz coherentes que permiten generar pulsos de luz aún más cortos, con duraciones que alcanzan las pocas decenas de attosegundos, en la región de frecuencias del ultravioleta extremo.

Estos avances han dado lugar a una evolución sustancial de la tecnología láser en los últimos años, posibilitando por vez primera un control directo del movimiento ultrarrápido de los electrones dentro de una molécula y, como consecuencia, sobre la dinámica nuclear inducida por dicho movimiento electrónico, que ocurre a tiempos más largos.

Dado que la distribución de los electrones en la molécula, o densidad electrónica, es responsable en última instancia de la formación y ruptura de enlaces, el control de este movimiento ha abierto la puerta a una nueva forma de hacer química.

Esta investigación ha recibido, en la categoría de Investigación Básica, el premio Jaime I 2017.