Cómo filmar un electrón: la química de lo improbable

Esta es una historia improbable. Porque hasta hace menos de una década parecía imposible poder llegar a ver cómo se mueven los electrones en una molécula, rompiendo y formando sus enlaces, es decir, moviendo los hilos de la química. En ese mundo subatómico todo sucede increíblemente rápido: exactamente en cuestión de attosegundos, la trillonésima parte de un segundo (10^-18). Y a esa escala, un segundo es un tiempo infinito.

Improbable también porque para ver y grabar el movimiento de algo tan pequeño y rápido se necesitan instalaciones enormes y superordenadores calculando durante años. Improbable, en definitiva, porque pocas veces sucede que un descubrimiento pueda cambiar la forma de practicar la química. Esta es, por tanto, una historia que requiere una profunda imaginación.

En 2001 se produjo un avance tecnológico que alteró ese improbable. Investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, en la ciudad alemana de Gotinga, generaron los primeros pulsos de luz de duración de attosegundos con láseres superrápidos. Para nosotros es un intervalo de tiempo irrelevante, pero en esos brevísimos instantes es cuando los electrones despliegan su ritmo natural. Por primera vez se disponía de la fuente de luz necesaria para verlos, y quizá, grabarlos.

La primera cámara de attosegundos

Ocho años después, un equipo liderado por los investigadores Fernando Martín, de la Universidad Autónoma de Madrid, Marcus Vrakking, del Instituto Max Born en Berlín y Mauro Nisoli, del Politécnico de Milán, diseñó la primera cámara de attosegundos capaz de ver el movimiento de los electrones en las moléculas. La primera película mostraba la intimidad a tiempo real de la molécula de hidrógeno, la más sencilla del universo.

Una mirada al interior de las moléculas. Crédito: UAM

El experimento se inspiraba en la cámara que el Nobel egipcio Ahmed Zewail había diseñado para ver el movimiento de los núcleos, pero con mayor resolución. En ella, un pulso de luz de attosegundos irradia una molécula e induce el movimiento de los electrones. En intervalos también de attosegundos, otro pulso ultraveloz toma fotografías que finalmente se proyectan de forma concatenada creando la ilusión del movimiento —como el del tren llegando a una estación, que tanto asombró a los espectadores de las primeras películas de los hermanos Lumière en 1896. 


“La diferencia con una película normal es que para filmar algo que se mueve en tiempos tan cortos como los attosegundos, hay que tomar fotografías con unos tiempos de exposición que sean del mismo orden. De lo contrario saldrían movidas”, explica Martín.

Superar la complejidad técnica —estos láseres ocupan la planta entera de un edificio y tienen miles de piezas y dispositivos ópticos— fue posible por la combinación de las aportaciones de los tres científicos: Nisoli es pionero en el desarrollo de uno de los primeros pulsos de luz de attosegundos, Vrakking es experto en espectroscopía molecular y Martín lidera uno de los dos únicos grupos del mundo capaces de desarrollar herramientas de visualización, porque las películas que salen de estas cámaras no se entienden en absoluto, son solo manchas borrosas.

“Es un poco más complicado, pero la idea de base es la misma que en las películas en 3D: si no te pones las gafas que te dan en el cine, la imagen se ve borrosa. Tenemos que desarrollar el equivalente de unas gafas para traducir las imágenes en algo que entendamos”, continúa Martín. Estas herramientas se obtienen resolviendo la ecuación de Schrödinger, que gobierna el mundo atómico y subatómico de igual forma que las de Newton rigen en el macroscópico. Sin embargo son mucho más difíciles de resolver, especialmente en el caso de moléculas, y necesitan de supercomputadores. El equipo de Martín utilizó el Mare Nostrum, del Centro Nacional de Supercomputación en Barcelona. Los cálculos tardaron un año.

Controlar reacciones químicas

Cuatro años después, en 2014, Martín y Nisoli obtuvieron la primera película de una molécula con interés biológico, la fenilalanina, un aminoácido esencial. En el experimento apareció otro efecto improbable: además de ver el movimiento de los electrones en una molécula más compleja, los científicos comprobaron que con estos pulsos de luz podían, digamos, modificarlo a voluntad. Y ahora es cuando esta historia se adentra en un terreno que solo podemos imaginar. Porque como los enlaces entre distintos átomos se rompen o forman en función de lo que dicen los electrones, si estos se movieran de otra manera podrían romperse o formarse otros enlaces; es decir, la química resultante podría ser completamente distinta a la que conocemos.

“El objetivo es intentar controlar las reacciones químicas a voluntad; por ejemplo, forzar que algo reaccione porque un pulso de luz va a cambiar el movimiento de sus electrones, o lo contrario, que moléculas que reaccionan de manera espontánea dejen de hacerlo”, concluye Martín.

Estos descubrimientos están dando lugar a una nueva manera de hacer química basada en la utilización de láseres de attosegundos y supercomputación, para la que ya se ha acuñado un término: attoquímica. Aún queda mucho por avanzar hasta que se traduzca en técnicas que lleguen a los laboratorios. Mientras tanto, varios grupos investigan su aplicación en el grafeno, el nuevo material del que se dice que cambiará el mundo.

Tomado de: Open Mind

Curiosidades de la ciencia: ¿Qué hay dentro de un segundo?

Nueve mil ciento noventa y dos millones, seiscientos treinta y un mil setecientos setenta periodos de oscilación de la radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del cesio 133.

Ahora dejadme respirar y os explico a qué viene esta parrafada.

Antes de 1967, un segundo era 1/86.400 parte de la duración media de un día. Pero, debido a que la rotación de la Tierra es irregular, se decidió que había que definir el segundo de una forma más precisa. El uso del isótopo cesio 133 para su nueva definición se debe a que ese es el material empleado mayoritariamente para la creación de relojes atómicos. Así que en 1967, el tiempo pasó de ser astronómico, a ser atómico.

En 1977, se añadió una coletilla a la definición: el cesio 133 debía estar a una temperatura de 0K (cero kelvin o cero absoluto) para evitar la radiación de cuerpo negro.

El segundo no es la única unidad que ha sido redefinida en los últimos tiempos; así el metro ha pasado a ser la distancia que cubre la luz en el vacío cuando viaja durante 1/299.792.458 segundos, lo cual parece lógico considerando que la velocidad de la luz en el vacío es c = 299.792.458 m/s.

Sin embargo, siempre queda un lugar para los nostálgicos, ya que el kilogramo sigue siendo definido a partir del prototipo original. Pero ya hablaremos en otra ocasión de lo que significa masa y peso.

Personalmente, prefiero la definición coloquial de segundo que muchos sufrimos en la carretera: “La milésima parte de un segundo es el tiempo que transcurre entre el cambio a luz verde de un semáforo y el sonido del claxon del coche que tienes detrás”.

Enlaces de interés:

Definición oficial del segundo.

Fuente:

El zombi de Schrondinger

Las vueltas que da la Tierra (un año con un día y un segundo de más)

29 de diciembre de 2008.- 2008 ha sido año bisiesto. Desde la época de Julio César, cada cuatro años se doblaba el sexto día previo a las calendas de marzo (bis sextus, el sexto repetido se le llamó) para dar cuenta de que una revolución terrestre alrededor del Sol no es un número exacto de rotaciones terrestres. Es decir, que el año dura un número no exacto de días. La reforma gregoriana vino a corregir un problema de mayor exactitud, quitando tres años bisiestos cada 400 años. La historia de los calendarios es apasionante, porque no solemos darnos cuenta de que la astronomía está detrás de esas aparentemente extrañas normas.

Lo mismo nos pasa con la medida de las horas. Cuando se intentaron ordenar e internacionalizar los sistemas de medida con el sistema métrico decimal (una verdadera revolución que tuvo que nacer con la Revolución Francesa) la unidad de tiempo fue el segundo, definido a partir de la duración del día terrestre, es decir, de su rotación: 1 segundo es 1/86400 del día. O bien: en un día hay 86.400 segundos.

La coordinación de la medida del tiempo, de la hora, fue más complicada y tuvo que esperar a 1912, cuando se estableció, en el Observatorio de París la Oficina Internacional de la Hora (BIH), encargada de establecer una medida común para tomar tiempos que pudieran coordinarse. Se mantuvo esa duración del segundo y se estableció el Tiempo Universal que se medía desde 1884 en el Observatorio de Greenwich, como la base para todo el mundo. Correspondía además con la hora solar media de Londres, lo que permitía mantener la costumbre de los relojes de Sol.

La coordinación de las medidas de tiempo se hacía en París, a partir de observaciones astronómicas y cálculos que permitían una gran precisión. Pero a mediados de los 50 se inventaron los relojes atómicos: sistemas en los que la oscilación de un átomo (habitualmente Cesio) marca la frecuencia que, multiplicada miles de millones de veces, permite contar segundos. La definición en el Sistema Internacional del segundo cambió porque esa medida resultaba muy precisa y se podía reproducir rápidamente, sin tener que esperar a las observaciones astronómicas y los cálculos posteriores.

Pero se comprobó así, con la mayor precisión del Tiempo Atómico, que la rotación de la Tierra era un proceso demasiado variable como para mantener una buena cuenta del tiempo. Debido a los movimientos de la corteza tras la glaciación y, sobre todo, debido al frenado que producen las mareas lunares en nuestro planeta, el día se hace poco a poco más largo. En promedio, en el último siglo ese aumento ha sido de 1,7 milisegundos (por día).

Es una cantidad nimia, pero suficiente para que ese tiempo de los relojes atómicos difiera del tiempo derivado de la medición de la rotación terrestre, en una cantidad que puede llegar a 2 segundos algunos años... Por eso, desde 1972 en el TUC, el tiempo universal coordinado que es un consenso proporcionado por relojes que los responsables de la medida de la hora, actualmente el IERS (Servicio de Sistemas de Referencia y de la Rotación Terrestre, un organismo dependiente de la Unión Astronómica Internacional y la Unión Internacional de Gerodesia y Geofísica se introduce de vez en cuando un segundo de más, una discontinuidad en la hora oficial que permite que los relojes atómicos (continuos, base del sistemas) mantengan una cuenta que siga siendo parecida a la de siempre, la que antes daban los relojes solares y luego los relojes puestos en hora por los observatorios astronómicos.

En los últimos años no ha sido preciso introducir muchos de estos segundos intercalares, no porque la Luna nos frene menos, sino por otros movimientos y cambios en la rotación de la Tierra, complejos de modelizar, pero que se miden cada vez con mayor precisión gracias a los satélites, que han evitado que esa rotación se frene al ritmo habitual. Fue en 2005 la última vez que se introdujo un segundo extra entre el final del segundo 23:59:59 del día 31 de diciembre y el 00:00:00 del 1 de enero.

Para quienes quieren ver en todo posibles catástrofes, teniendo en cuenta que en los últimos 20 años se han introducido 11 segundos de estos y ni se cayeron los ordenadores, ni hubo accidentes aéreos, ni tampoco los cacos pudieron emplear el segundo del ajuste para robar los principales bancos internacionales, lo cierto es que podemos estar razonablemente tranquilos. Eso sí, podemos también entender que la Unión Internacional de Telecomunicaciones haya recomendado que sería más sencillo mantener el tiempo oficial como un tiempo atómico sin correcciones ni saltos discontinuos. Eso llevaría a corregir algo los trabajos astronómicos y, para mantener una relación más cercana con las mediciones clásicas del tiempo (eso de que al mediodía el Sol quede al Sur... aunque con los cambios de hora de por aquí y el tiempo central europeo eso no pase nunca en España) sería conveniente introducir no un segundo de vez en cuando, sino ya puestos 3.600 de golpe: una hora intercalar cada tres siglos, aproximadamente.

Fuente:

El Mundo - Blog Cosmos