Fragmento de Reacciones químicas controladas por láser.
De Paul Brumer y Moshe Shapiro.
La luz coherente muestra una propiedad importante: la interferencia constructiva y destructiva. No es necesario que la palabra “interferencia” signifique que unas ondas perturban las trayectorias de las otras; remite a la forma en que todas las ondas (incluidas las del agua) se combinan. En la interferencia constructiva, las crestas o los valles de dos (o más) ondas se juntan, y así alturas, o depresiones, se suman. La onda se hace entonces mayor y más honda (en otras palabras, la amplitud de la onda aumenta). En la interferencia destructiva, las crestas se juntan con los valles y la onda se extingue.
Interferencia de las ondas de luz
Los fenómenos de la interferencia constructiva y destructiva se manifiestan en cuanto se dispara un haz láser contra una placa opaca en la que se hayan abierto dos rendijas. Cada una hace las veces de una nueva fuente de ondas de luz. Las ondas que emanan de cada rendija, al expandirse, se interfieren entre sí. La interferencia se torna visible si colocamos una pantalla al otro lado de las rendijas. Aparecerá en ella un patrón de franjas, oscuras y luminosas. Las luminosas corresponden a la interferencia constructiva; las oscuras, a la destructiva.
La técnica de control molecular más reciente saca partido del hecho de que la luz no sea la única entidad que exhiba fenómenos de interferencia. De acuerdo con un principio básico de la mecánica cuántica, partículas, átomos y moléculas también se comportan como ondas que se interfieren entre sí. La observación experimental ha confirmado la existencia de esas ondas de materia y de las interferencias asociadas.
¿Cómo aprovechar los fenómenos de interferencia para controlar las reacciones? Se han desarrollado numerosas técnicas. La más sencilla consiste en dirigir dos haces de láser diferentes sobre las moléculas, cuyo aspecto ondulatorio excitará cada uno de ellos de manera particular. Las dos ondas de materia resultantes pueden interferirse entre sí. La interferencia constructiva, a su vez, puede originar un producto determinado. La destructiva haría que no se diera ese producto o que se incrementase la formación de otro. Resulta que podemos controlar el patrón de interferencia —es decir, la magnitud de los productos de reacción— por medio del ajuste de las propiedades de coherencia e intensidad de los dos haces.
Una explicación más específica incorpora una abstracción, la función de onda. Acuden a ésta los físicos para describir los sistemas atómicos y moleculares. Piénsese en una molécula formada por tres componentes conectados; llamémoslos A, B y C. Las partículas se portan como ondas; por tanto, cabe describir el estado inicial de la molécula mediante la función de onda, ente matemático que engloba toda la información disponible sobre el estado de la partícula y sus movimientos, o dinámica. El cuadrado de la función de onda, por ejemplo, da la probabilidad de hallar la molécula en una geometría concreta. Las funciones de onda son la herramienta descriptiva básica de la mecánica cuántica.
Imaginemos ahora que podemos descomponer la molécula ABC de dos formas distintas. O bien se rompe el enlace entre A y B, o bien el que une B y C. Por tanto, son posibles dos pares de componentes: A y BC o AB y C. La producción de cada una de estas posibilidades requiere que le aportemos energía a la molécula. Podemos irradiarla con un fotón de una frecuencia determinada (con lo que le impartimos una cantidad de energía conocida), que la molécula absorberá. Si el fotón posee energía suficiente, llevará la molécula ABC a su estado final, es decir, a un nivel de energía en el que ABC se descompone en dos productos. La función de onda que describe la molécula ABC en este estado incorpora dos tipos de información. Uno es la naturaleza ondulatoria de la luz de láser que incide en la molécula; otro, la naturaleza ondulatoria mecanocuántica de la molécula misma.
Pero, ¿qué ocurre si irradiamos la molécula a un tercio de la frecuencia (es decir, con luz que lleve sólo un tercio de energía)? En ese caso, la molécula tendría que absorber, para disociarse, tres fotones en vez de uno. La función de onda molecular en el punto de disociación sería entonces diferente, lo que reflejaría el hecho de que la molécula hubiese absorbido tres fotones en vez de sólo uno.
Podemos controlar el movimiento molecular si irradiamos simultáneamente ABC con dos campos de luz. De esa forma se producen, a la energía de disociación, dos funciones de onda distintas. Los dos modos de excitación se interfieren, tal y como hace la luz coherente al pasar por las dos rendijas. Quizá parezca raro que puedan interferirse dos trayectorias de reacción, pero semejantes interferencias son la esencia de la mecánica cuántica.
Por suerte para los químicos que andan tras el control molecular, el término matemático que describe la interferencia difiere de los dos resultados posibles de la reacción. Ajustando ese término de interferencia, podemos hacer que se creen sobre todo A y BC o sobre todo AB y C. La interferencia, y por tanto la cantidad de cada producto, depende de la amplitud y la fase relativas de los dos haces de láser originales, y así cabe alterarla ajustando estas características. Obsérvese que, como el control se basa en la interferencia, el método no requiere que se usen láseres intensos. En otras palabras, la luz débil puede tener un efecto sustancial en la dinámica de las moléculas.
Fuente: Brumer, Paul y Shapiro, Moshe. Reacciones químicas controladas por láser. Investigación y Ciencia. Barcelona: Prensa Científica, mayo, 1995.
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