CONTROL COHERENTE DE LAS REACCIONES QUÍMICAS por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico numerario

Las reacciones químicas son la esencia de la Química. La capacidad de control de las reacciones químicas ha sido, de siempre, el santo grial de la Química. El conocimiento progresivo de la Naturaleza ha ido acumulando sucesivamente la capacidad de formular modelos cada vez más realistas. Es probable que hoy, en un entorno tan tecnificado como el que vivimos, nos pasen desapercibidas muchas de las cosas que han costado mucho de averiguar. La tecnología encierra conocimiento. Con las reaciones químicas ha pasado algo parecido, desde esos comienzos alquimistas en que era el deseo, más que la capacidad de transformación, la que animaba a esos “científicos” que, a título de magos querían transformar las cosas, sin piedad y sin límites. Poco a poco, el realismo fue haciendo mella y poniendo las cosas en su lugar. Poco a poco, el conocimiento fue acumulándose hasta llegar al punto en que la Ciencia es capaz de plantearse no el impulso de una transformación, sino el control de la misma.

Ha transcurrido mucho tiempo,  desde que a mediados del siglo XVIII con la obra de Lavoisier, surgiera la Química Moderna, que está en deuda con él por la arquitectura conceptual, el lenguaje analítico y el rigor del método cuantitativo, no exento de belleza. El tiempo discurrido no ha sido en vano. Hoy es el control coherente de las reacciones químicas el que abre grandes esperanzas para transitar por caminos en los que los conceptos de control químico se fundamentan en efectos cuánticos  que están en los subsuelos de la descripción molecular.

Formar y romper enlaces entre átomos y moléculas es el leiv motiv de la Química. El objetivo más importante de la Química son las reacciones químicas. Conocer cómo ocurren las reacciones químicas y llegar a controlar su discurrir, viene siendo la pretensión de una Ciencia básica como la Química. Las condiciones en la que se dan los procesos químicos constituyen uno de los acerbos científicos más importantes de la Humanidad. Ya sean procesos que impliquen compuestos minerales, como orgánicos, vegetales como animales, vivos como inertes, todos ellos consisten en la formación y ruptura de enlaces y es necesario conocer su intimidad para lograr que sean eficaces, que su rendimiento sea óptimo, tanto para obtenerlos en cantidad, como para eliminarlos.

 

En muchos casos, las cosas son relativamente fáciles. Si nuestro interés es romper una molécula, podemos pensar que es suficiente con aplicar energía, calor, para lograr disociarla. Pero no siempre es el caso porque, en ocasiones, cada vez con mayor frecuencia, el objetivo es obtener un producto específico, que exige no solo un control de la temperatura y presión para que un determinado proceso tenga lugar, sino incorporar inteligencia al procedimiento.  Los factores externos, como presión y temperatura son una forma de control, que denominaremos “pasivo”, dado que ocurre como en la simulación, en la que establecemos las condiciones inicialmente y dejamos que el proceso tenga lugar. De esta forma, logramos que la reacción transcurra por un camino de reacción y no por otro, pero nuestra intervención ha sido ciertamente pasiva, por cuanto no hemos actuado directamente “sobre la marcha”. Pero cabe otra forma de actuar, activamente, incidiendo en el proceso conforme tiene lugar. Algo parecido a lo que denominamos juego (matemático) en que incidimos cambiando de estrategia conforme el proceso avanza y en función de una reflexión inteligente.

 

El láser es un instrumento, es decir, mucho más que un dispositivo, que permite acceder a niveles de intimidad en las moléculas y átomos, inimaginables por nuestros inmediatos antecesores. Basados en la emisión estimulada que propusiera Einstein en 1905, hubo que esperar hasta los años 60 para verlos materializados y, aún así, durante mucho tiempo fue una “solución en busca de problema”, como se le tildaba en la época. Hoy se ha convertido en una herramienta de propósito general, difícilmente sustituible por su singularidad. Intensidad, linealidad, monocromaticidad y coherencia son sus señas de identidad. Cuando la luz incide sobre la materia, en función de las características de la materia, es decir, de su estructura, al fin y al cabo, concretadas en la naturaleza de los átomos que la integran. Las propiedades del láser son genuinamente cuánticas y sus derivadas, también: fenómenos de interferencia, por los cuales la luz se ve reforzada o deprimida en función de las características de la luz y de la posición relativa de los mismos. Una variedad de láseres son los denominados pulsados, capaces de emitir potencias muy elevadas, dados los tiempos sumamente cortos en que lo llevan a cabo. Se han popularizado los tiempos de picosegundo (10-12 s), femtosegundo (10-15 s) y attosegundo (10-18 s). El primero de ellos característico de procesos fotoquímicos convencionales. El segundo por ser el tiempo característico de las reacciones químicas, por ser menor que el tiempo en que se rompe o forma un enlace y, por tanto útil para contemplarlo en directo. El tercero corresponde a procesos atómicos, en ciernes. En el proceso que nos ocupa de control de las reacciones químicas, es el femtosegundo el que encaja en la escala temporal con resolución suficiente para observar la química de las reacciones en tiempo real. Dado que la distancia entre dos átomos que colisionan para dar lugar a una reacción es de unos pocos angstroms y que la velocidad, por ejemplo en fase gaseosa, es de unos centenares de metros por segundo, lo que conlleva que el tiempo en que se produce una reacción es del orden de unos pocos femtosegundos. El hoy malogrado Amhed Zewail instituyó la que denominó Femtoquímica para la química contemplada en estos tiempos, lo que supone un desarrollo en riguroso directo, lo que le diferencia del resto de procedimientos usados en la Química que todos lo hacen en diferido, pues lo que se detecta … ya ocurrió, aconteció en el pasado.

 

Para el control activo de una reacción se emplean pulsos láser de femtosegundo, que no emiten una sola frecuencia, dado que la indeterminación en el tiempo, conlleva un espectro de un ancho de banda notable. Mediante cristales líquidos el espectro se descompone, controlando su frecuencia mediante una alteración del camino óptico que permite obtener una frecuencia de las muchas en que el cristal puede dividirla. El cristal está modulado por un ordenador capaz de optimizar la fase del haz coherente. En la práctica los pulsos láser se diseñan a medida. Un grupo de investigación de la Universidad de Berlín y otro de Wuzburg lo han propuesto y llevado a cabo.

 

Las moléculas ocupan estados ligados, estables. Ahí es donde permanecen. Ahí es donde su tiempo de vida es infinito, como rasgo de permanencia en el tiempo, como sistema que es. De otra forma pasaría a ser otro sistema distinto, lo que supondría su falta de permanencia. Pero donde ocurren las cosas a las moléculas no es precisamente en los estados estables, sino en los del continuo. Las funciones de estado independientes del tiempo, que son los estados que describen a las moléculas estables, también incluyen la descripción de las moléculas en el continuo, que es donde van a ocurrir las reacciones y donde el control tiene algún sentido. El sistema requiere una energía que corresponda al continuo y una función de onda independiente para describir cada uno de los posibles resultados que se pueden observar en los productos de la reacción. Es de esperar una gran degeneración a esa energía y las funciones de onda que corresponden a esta degeneración tienen que existir, y eso implica que una serie de funciones degeneradas existan en el conjunto de funciones del Hamiltoniano total. Es decir, las funciones propias del sistema total deben tener correlación asintótica con las  funciones propias de los productos. De hecho deben poder incluirse como condiciones límite para resolver el sistema cuántico y de esta forma simplificar la comprensión de la dinámica de las reacciones.  Esto simplifica el tratamiento. Si un estado inicial solamente está correlacionado con uno de los productos, la probabilidad de observar este resultado es la unidad. Si se trata de un estado expresado como combinación lineal de dos estados de los productos, los coeficientes de la combinación lineal darán la probabilidad de poder observar cada uno de ellos. Visto así, la clave del control laser de una reacción está lista: el laser lo usaremos para alterar la naturaleza de la superposición de estados preparados que es la forma de alterar la probabilidad de obtener un producto u otro. Esta es la estrategia, en esencia, del control de las reacciones químicas. La cuestión es la preparación de los estados para lograr un resultado concreto.

 

La incidencia de un campo eléctrico sobre una molécula, es una opción. Se trata de una perturbación sobre el Hamiltoniano del sistema aislado. La teoría de perturbaciones dependiente del tiempo nos permite resolver este problema en que el campo eléctrico lo tomamos como una perturbación del Hamiltoniano del sistema aislado. Para ello hay que emplear la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo y la teoría de perturbaciones dependiente del tiempo. El resultado es bien conocido y lo que se obtiene es un estado puro, descrito por una función de onda, con su coherencia de fase. Si analizamos la fotodisociación inducida por láser, excitamos una molécula a un estado propio mediante la aplicación de un campo eléctrico que proporciona energía suficiente para disociar la molécula. Estaremos interesados en conocer la probabilidad de obtener cada producto de reacción concreto posible. Cabe aplicar la teoría de perturbaciones si tanto el campo eléctrico como el momento dipolar son suficientemente pequeños como para poder aplicar la teoría. Obtenemos la probabilidad de cada uno de los productos posibles y, si lo deseamos, el cociente (o razón) entre los productos que se producen en dos canales (dos energías iniciales) concretos. El objetivo es alterar esta proporción, esta distribución de los productos. No podemos lograrlo variando la energía del láser, dado que afectaría por igual a numerador y denominador de la relación, se cancelaría el efecto. El control no puede hacerse con cantidades que aparezcan en numerador y denominador en una relación. La alternativa es controlar la reacción variando la frecuencia de excitación y ver que efecto tiene sobre la relación. No supone un procedimiento sistemático y la posibilidad de lograrlo depende, solamente, de la suerte de que se obtenga el resultado que buscamos variando la frecuencia del laser. La alternativa efectiva consiste en contemplar la relación entre las probabilidades de dos productos que es el cociente entre los cuadrados de la amplitud de los dos canales de formación de productos considerados y se trataría de alterar experimentalmente estas cantidades para que difirieran numerador y denominador. Con ello controlaríamos experimentalmente la ratio. El control radiativo coherente que proponen Shapiro y Brumer concreta esta filosofía y se acopla con el reconocimiento del fenómeno de la interferencia cuántica que altera la amplitud al cuadrado de una forma particular. Estamos en los albores de un tiempo en el que las reacciones químicas pueden ser sometidas a control. Disponemos de teoría, modelos y de instrumental experimental, los láseres, para poderlo llevar a cabo. Este es un cambio sustancial que merece la pena vivir. ¡Ojalá podamos disfrutarlo!