Pensándolo bien...
En 1956 Feynman impartió una conferencia en la Sociedad Americana de Física, que supuso el inicio de dos nuevas disciplinas: la nanotecnología y la computación cuántica. En aquél momento afirmaba que no veía dificultades físicas para que los ordenadores fueran mucho más pequeños de lo que eran e introdujo la referencia ¡Hay mucho sitio al fondo!, que fue el titulo que dio a la citada conferencia. Con su proverbial sentido del humor, en esa charla anunció dos premios-apuesta de mil dólares: uno para el que escribiera un libro que solamente se pudiera leer con un microscopio electrónico y el otro para que construyera un motor con un tamaño de medio milímetro. Perdió su apuesta en ambos casos.
Al igual que estas apuestas, muchas otras de las conjeturas que formuló han resultado ciertas, como la microscopía usando electrones, que hoy permite resolver e identificar a los átomos individualmente. La difracción de rayos X ha puesto de relieve las complicadas estructuras de miles de proteínas, permitiendo sumergirnos en las intimidades de la maquinaria de la vida. Ha pasado mucho tiempo desde el acontecimiento que relatamos, y el nano-mundo todavía es muy limitado. La razón hay que buscarla en la rapidez de movimientos que tiene lugar a esa escala, porque, para situarnos, el tiempo de vibración de un átomo en una molécula o en una superficie es inferior a 100 femtosegundos, 100 x 10^(-15) s. Recordemos que 1 femtosegundo es a un segundo como este es solamente a un centenar de veces la edad de la Tierra. ¡Nada menos! Estamos hablando de unos diez órdenes de magnitud de lo que manejan las técnicas de imagen. Otra restricción es que, hasta ahora se ha focalizado la atención en los sistemas en equilibrio, pero son los átomos en movimiento, en especial mientras las reacciones químicas tienen lugar, los que mayor interés tienen en la actualidad. Los cambios conformacionales o las transiciones de fase son los problemas que ocupan el frontispicio de la investigación a nanoescala. La teoría es capaz de efectuar cálculos en esa escala de tiempos y tensiona para que los experimentos se puedan realizar.
Láseres de la región visible suministran una resolución temporal de femtosegundo, desde hace tiempo y el método de uso más extendido es el de bombeo y sonda, por el cual se excita mediante un pulso láser de femtosegundo para “bombear” al estado excitado que nos interesa examinar y a continuación se hace incidir otro pulso que “sondea” lo investigado. Ambos pulsos están sincronizados, entre otras cosas porque los suele producir el mismo dispositivo, solamente separados por un tiempo de ejecución controlado. Así se han podido estudiar los comportamientos moleculares en directo y no en diferido, como hasta ahora y desde siempre en el ámbito molecular, por cuanto los tiempos relevantes, molecularmente hablando son los femtosegundos. En estos tiempos se puede observar una reacción química en riguroso directo, recorriendo la curva de potencial desde los constituyentes de un enlace, por separado, hasta situarse en el fondo de la curva de potencial que justifica su estabilidad como molécula. Esto le acreditó el premio Nobel en 1998 al recientemente fallecido Ahmed Zewail. Empleando técnicas ópticas no lineales se pueden producir frecuencias de bombeo y de sonda desde terahercios a rayos X.
Son técnicas poderosas, pero no exentas de limitaciones. Por ejemplo, las longitudes de onda más cortas de las sondas son todavía demasiado largas para poder obtener una resolución apropiada a las estructuras atómicas. Por otro lado los fotones interactúan con los electrones de la materia, de forma que no se obtiene información directa del movimiento de los átomos, del de los núcleos o del de las superficies que se analizan. La información estructural dinámica se obtiene de forma indirecta, dependiendo del modelo fromulado. Idealmente se puede pensar en el interés de extender los experimentos bombeo – sonda de la escala de femtosegundo a longitudes de onda más cortas, inferiores a un angstron, lo que supone emplear rayos X o partículas con masa como los electrones.
Aunque se han desarrollado técnicas de imagen, como las que emplean electrones ultrarrápidos para difracción de muestras cristalinas, por ejemplo, queda mucho por hacer. Los que llegan ahora, llegan aún a tiempo. Hay mucho sitio al fondo, como pronosticara Feynman.
Al igual que estas apuestas, muchas otras de las conjeturas que formuló han resultado ciertas, como la microscopía usando electrones, que hoy permite resolver e identificar a los átomos individualmente. La difracción de rayos X ha puesto de relieve las complicadas estructuras de miles de proteínas, permitiendo sumergirnos en las intimidades de la maquinaria de la vida. Ha pasado mucho tiempo desde el acontecimiento que relatamos, y el nano-mundo todavía es muy limitado. La razón hay que buscarla en la rapidez de movimientos que tiene lugar a esa escala, porque, para situarnos, el tiempo de vibración de un átomo en una molécula o en una superficie es inferior a 100 femtosegundos, 100 x 10^(-15) s. Recordemos que 1 femtosegundo es a un segundo como este es solamente a un centenar de veces la edad de la Tierra. ¡Nada menos! Estamos hablando de unos diez órdenes de magnitud de lo que manejan las técnicas de imagen. Otra restricción es que, hasta ahora se ha focalizado la atención en los sistemas en equilibrio, pero son los átomos en movimiento, en especial mientras las reacciones químicas tienen lugar, los que mayor interés tienen en la actualidad. Los cambios conformacionales o las transiciones de fase son los problemas que ocupan el frontispicio de la investigación a nanoescala. La teoría es capaz de efectuar cálculos en esa escala de tiempos y tensiona para que los experimentos se puedan realizar.
Láseres de la región visible suministran una resolución temporal de femtosegundo, desde hace tiempo y el método de uso más extendido es el de bombeo y sonda, por el cual se excita mediante un pulso láser de femtosegundo para “bombear” al estado excitado que nos interesa examinar y a continuación se hace incidir otro pulso que “sondea” lo investigado. Ambos pulsos están sincronizados, entre otras cosas porque los suele producir el mismo dispositivo, solamente separados por un tiempo de ejecución controlado. Así se han podido estudiar los comportamientos moleculares en directo y no en diferido, como hasta ahora y desde siempre en el ámbito molecular, por cuanto los tiempos relevantes, molecularmente hablando son los femtosegundos. En estos tiempos se puede observar una reacción química en riguroso directo, recorriendo la curva de potencial desde los constituyentes de un enlace, por separado, hasta situarse en el fondo de la curva de potencial que justifica su estabilidad como molécula. Esto le acreditó el premio Nobel en 1998 al recientemente fallecido Ahmed Zewail. Empleando técnicas ópticas no lineales se pueden producir frecuencias de bombeo y de sonda desde terahercios a rayos X.
Son técnicas poderosas, pero no exentas de limitaciones. Por ejemplo, las longitudes de onda más cortas de las sondas son todavía demasiado largas para poder obtener una resolución apropiada a las estructuras atómicas. Por otro lado los fotones interactúan con los electrones de la materia, de forma que no se obtiene información directa del movimiento de los átomos, del de los núcleos o del de las superficies que se analizan. La información estructural dinámica se obtiene de forma indirecta, dependiendo del modelo fromulado. Idealmente se puede pensar en el interés de extender los experimentos bombeo – sonda de la escala de femtosegundo a longitudes de onda más cortas, inferiores a un angstron, lo que supone emplear rayos X o partículas con masa como los electrones.
Aunque se han desarrollado técnicas de imagen, como las que emplean electrones ultrarrápidos para difracción de muestras cristalinas, por ejemplo, queda mucho por hacer. Los que llegan ahora, llegan aún a tiempo. Hay mucho sitio al fondo, como pronosticara Feynman.
© 2023 Academia de Ciencias de la Región de Murcia