Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
Programa 2007
Cronoscopia de imágenes del mundo microscópico: hacer cine con moléculas
Resumen de la conferencia por:

Jesús Santamaría Antonio
Doctor en Ciencias Químicas 1974 y Catedrático de Química Física desde 1983. Fue Secretario de la Real Sociedad Española de Química y ha sido Decano de la Facultad de Ciencias Químicas de la UCM (1998-2006) y Presidente de la Conferencia de Decanos de Química. Es miembro del Consejo Directivo del Laboratorio Europeo LENS de Florencia y Coordinador del Master Europeo Advanced Spectroscopy in Chemistry. Académico Numerario de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales.
 
texto completo publicado de la conferencia (pdf - 770 kb.)

resumen

En el ámbito de las fuerzas electromagnéticas que dominan nuestra experiencia diaria de los procesos naturales, los átomos actúan como bloques básicos de construcción formando estructuras dinámicas, que van desde grupos individuales fuertemente enlazados (moléculas, iones) hasta asociaciones de las mismas formando la materia dura (fases sólidas, materiales) y la materia blanda (líquidos, cristales líquidos, polímeros, estructuras supramoleculares). La velocidad de los átomos viene dada por la velocidad del sonido en el medio, es decir nada menos que ~1000 m/s, es decir 1 nanómetro/picosegundo (1nm/ps), o bien 0.01 Ängstrom/femtosegundo (0.01Ä/fs). El nanómetro (nm, 10-9 m) es la unidad de medida del tamaño de las moléculas, mientras que el Ängstrom (Ä,10-10 m) es la medida de la longitud de enlaces interatómicos. La Cronoscopia del mundo microscópico implica, por lo tanto, seguir en el tiempo movimientos con una precisión entre el ps (10-12 s) y el fs (10-15 s).

Solamente es posible formar una imagen nítida de un objeto que se mueve rápidamente si el tiempo se exposición de una cámara es mucho más corto que el tiempo que emplea el objeto para moverse de un lugar a otro. La carrera contra el tiempo empleando métodos estroboscópicos (disparos de luz o apertura del obturador a intervalos fijos de tiempo) logró hace tiempo una precisión de microsegundos (μs, 10-6 s) en la fotografía de objetos veloces macroscópicos, pero sólo de milisegundos (ms, 10-3 s) en la observación directa del movimiento browniano de micelas (tamaño ~0.5 micrometros, μm) con el ultramicroscopio visible. Los átomos y moléculas plantean una dificultad especial, pues no pueden verse al microscopio dado que la longitud de onda de la luz visible (~0.5 μm) es mucho mayor que el tamaño de aquellos. Además, a un nivel más profundo, los átomos y moléculas no son cosas, son individuales pero no individuos, y la clave de estas medidas la da la coherencia cuántica del paquete de ondas de esas partículas que, cumpliendo el principio de incertidumbre energía-tiempo, permite una localización en la posición Δx≈(p/m)Δt, es decir, la resolución temporal en fs/ps es necesaria para resolver distancias en Ä/nm. Por lo tanto, las imágenes que podemos formarnos de esos objetos son la resultante del rastro o destello que dejan cuando se modifican en un cierto intervalo de tiempo Δt, bien por ellos mismos (fluorescencia, espectroscopia óptica) bien por perturbación externa (difracción, rayos X, microscopía electrónica de transmisión) o bien por ambas. Esto lleva en el diseño de equipos experimentales, a la desaparición de la frontera entre Espectroscopia, Microscopía y Difracción.

En estudios detallados del proceso básico de ruptura y formación de enlace en moléculas aisladas pequeñas en fase gas, se puede obtener, mediante secuencia de puntos estroboscópicos (pares de pulsos láser de bombeo y sonda) sobre colectivos equivalentes (Femtoquímica) no la observación directa de los movimientos atómicos durante la reacción, pero sí el “camino de reacción” sobre el campo de fuerzas conservativo interatómico (hipersuperficie de potencial o “foso deslizante del partinador”). Sin embargo, la mayoría de los procesos ocurren en fases condensadas o en superficies, donde el elevado número de átomos impide construir una superficie de potencial que explique el campo de fuerzas interatómico total. Por ello, la expresión “hacer cine con moléculas” o “hacer una película molecular” se refiere a captar los movimientos relativos de un sistema de muchos cuerpos en el espacio real cartesiano tridimensional. La técnica de microscopía electrónica ultrarrápida, que combina la metodología estroboscópica del láser de fs con la microscopía electrónica pulsada de transmisión, permite estudiar, debido a la fuerte interacción electrón-materia, reacciones de moléculas aisladas o sobre superficies, y hasta la dinámica estructural de transiciones de fase en capas sólidas delgadas. Por otra parte, la difracción de rayos X resuelta en el tiempo, con pulsos de rayos X de un sincrotrón o de un láser de electrones libres, permite estudiar cambios estructurales en fase sólida y disolución. Los dispositivos experimentales (interferometría óptica, fuentes de pulsos de electrones y rayos X, cámaras ultrarrápidas de detección) requieren una geometría única para lograr resolución espacial a escala atómica y resolución temporal por debajo del ps. Existen ejemplos ilustrativos de estos fascinantes avances donde se realiza el sueño de los científicos de “ver a nivel microscópico”, pero donde nada es ya lo que parece.