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Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp)Vol. 102, Nº. 1, pp 65-78, 2008IX Programa <strong>de</strong> Promoción <strong>de</strong> <strong>la</strong> Cultura Científica y TecnológicaEXPLORANDO LOS LÍMITES MATERIALES: MÁS RÁPIDO, MÁSPEQUEÑO, MÁS COMPLEJOJESÚS SANTAMARÍA ANTONIO ** <strong>Real</strong> Aca<strong>de</strong>mia <strong>de</strong> Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Valver<strong>de</strong> 22, 28004 Madrid. Facultad <strong>de</strong> Ciencias Químicas:Universidad Complutense. 28040 Madrid. jsanta@quim.ucm.es.RESUMENEstablecidos, por una parte, <strong>la</strong> discontinuidad <strong>de</strong> <strong>la</strong>materia ordinaria frente a <strong>la</strong> i<strong>de</strong>a <strong>de</strong>l continuo, y, porotra, el significado <strong>de</strong>l vacío como realidad dinámica,se pasa a <strong>de</strong>scribir los sucesivos avances en <strong>la</strong><strong>de</strong>tección <strong>de</strong> lo progresivamente más pequeño, y, acontinuación, al estudio <strong>de</strong> procesos cada vez másveloces en el mundo microscópico, mediante técnicasestroboscópicas con láser en Femtoquímica yAttofísica. Finalmente, se indican los avances tecnológicosque, en una visión <strong>de</strong> abajo arriba, se estánlogrando en Física Mesoscópica y en Nanotecnología.I. INTRODUCCIÓNFrente al lema <strong>de</strong>l atletismo olímpico “citius, altius,fortius” (más rápido, más gran<strong>de</strong>, más fuerte) tomado<strong>de</strong> <strong>la</strong> antigüedad clásica, <strong>la</strong> Ciencia y Tecnologíaactuales se mueven hacia los límites indicados en eltítulo <strong>de</strong> este trabajo, re<strong>la</strong>tivos al tiempo, espacio ymateria. Ese cambio se <strong>de</strong>bió a <strong>la</strong> superación <strong>de</strong>l concepto<strong>de</strong> continuo matemático aplicado a <strong>la</strong> materiaordinaria y a <strong>la</strong> confirmación <strong>de</strong> <strong>la</strong> teoría atómicomolecu<strong>la</strong>ren el siglo XIX. Por otra parte, <strong>la</strong>s dos revolucionescientíficas <strong>de</strong> principios <strong>de</strong>l XX (Re<strong>la</strong>tividady Mecánica Cuántica) han supuesto, por un <strong>la</strong>do, e<strong>la</strong>bandono <strong>de</strong> los conceptos in<strong>de</strong>pendientes <strong>de</strong> espacio,tiempo y materia ordinarios y, por otro, <strong>la</strong> superación<strong>de</strong>l principio <strong>de</strong> causalidad y <strong>de</strong>l <strong>de</strong>terminismo <strong>de</strong>muchos conceptos (sujeto, objeto, medida neutra, etc.)por unas condiciones <strong>de</strong> posibilidad <strong>de</strong> lo realobservable regidas por comportamientos estadísticos.En esta comunicación nos referimos al micromundoordinario, compuesto por núcleos atómicos y electronesy gobernado por fuerzas electromagnéticas (queactúan mediante fotones), <strong>la</strong>s cuales dominan <strong>la</strong>s interaccionesmicroscópicas, entre <strong>la</strong>s que <strong>de</strong>stacan <strong>la</strong>sfuerzas y en<strong>la</strong>ces químicos. Consiguientemente,mostraremos los nuevos efectos y propieda<strong>de</strong>s, tanto<strong>de</strong> tamaño como cuánticos, que aparecen al disminuirel tamaño <strong>de</strong> <strong>la</strong> muestra y el tiempo <strong>de</strong> interacción con<strong>la</strong> luz, lo que nos permitirá acce<strong>de</strong>r a <strong>la</strong> complejida<strong>de</strong>structural y dinámica en <strong>la</strong> nanosca<strong>la</strong> atómicomolecu<strong>la</strong>r(1, 2, 3). Nos referimos, por tanto, a unrango <strong>de</strong> esca<strong>la</strong>s mucho más mo<strong>de</strong>sto que el <strong>de</strong>finidopor <strong>la</strong>s interacciones nucleares fuertes y por los límitesextremos <strong>de</strong>l tiempo y <strong>la</strong> longitud <strong>de</strong> P<strong>la</strong>nck.El pistoletazo <strong>de</strong> salida en esta exploración <strong>de</strong>límites <strong>la</strong> dio R. Feynman en 1959 con una <strong>conferencia</strong>titu<strong>la</strong>da:”Hay mucho sitio por abajo”. Veremos en <strong>la</strong><strong>de</strong>scripción <strong>de</strong> <strong>la</strong>s carreras frente a tiempo y tamaño,que ambas no son in<strong>de</strong>pendientes al ir disminuyendo eltamaño <strong>de</strong> <strong>la</strong> muestra y acercarnos al <strong>de</strong> los agregadosatómicos. Partiendo <strong>de</strong> <strong>la</strong> re<strong>la</strong>ción entre longitud(
66Jesús Santamaría AntonioRev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2008; 102dimensión por <strong>de</strong>bajo <strong>de</strong> los 100 nanómetros. Por otraparte, <strong>la</strong> coherencia en <strong>la</strong> interacción <strong>de</strong> pulsos ultracortos<strong>de</strong> luz con <strong>la</strong> materia, crea paquetes <strong>de</strong> ondacuánticos con resolución ∆ x = p m∆t, que en el caso<strong>de</strong> los átomos en molécu<strong>la</strong>s para pulsos láser conducea <strong>la</strong> Femtoquímica, y en el caso <strong>de</strong> electrones enórbitas atómicas para pulsos <strong>de</strong> RX nos lleva a <strong>la</strong>Attofísica (1 attosegundo=10 −18 s).Veremos también que, en <strong>la</strong> carrera <strong>de</strong> <strong>la</strong> complejidad,muy re<strong>la</strong>cionada con los aspectos tecnológicos(no olvi<strong>de</strong>mos que es precisamente a <strong>la</strong> evolución <strong>de</strong>los chips en or<strong>de</strong>nadores a <strong>la</strong> que se ha aplicado ellema <strong>de</strong> esta comunicación) ha jugado un papel importante<strong>la</strong> imitación <strong>de</strong> <strong>la</strong> Naturaleza, en concreto <strong>de</strong> <strong>la</strong>snanoestructuras orgánicas (macromolécu<strong>la</strong>s, complejosproteínicos, célu<strong>la</strong>s vivas, orgánulos, motoresmolecu<strong>la</strong>res, etc.) o cuasi inorgánicas (cáscaras,huesos, etc.). Mostraremos por tanto, para finalizar,algunos ejemplos <strong>de</strong> nanoestructuras sintéticas, queestán llenando extensísimas áreas <strong>de</strong> aplicación enMateriales (nanopartícu<strong>la</strong>s, nanotubos, puntos cuánticos,etc.), Electrónica (fibras ópticas, or<strong>de</strong>nadorescuánticos, circuitos integrados, etc.), Medicina(administración <strong>de</strong> fármacos, regeneración <strong>de</strong> tejidos,biochips, etc.) y Energía (célu<strong>la</strong>s so<strong>la</strong>res y <strong>de</strong> combustible,fotosíntesis artificial, etc.) y a <strong>la</strong>s que ningúnpaís pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>jar <strong>de</strong> prestar atención so pena <strong>de</strong> per<strong>de</strong>rel futuro <strong>de</strong> sus habitantes.II.EVOLUCIÓN DE IDEAS Y ESTADODE LA CUESTIÓNLa concepción ingenua <strong>de</strong>l mundo formado por unCosmos cognoscible, que era múltiple en el espacio(esca<strong>la</strong>s <strong>de</strong> tamaño), mutable en el tiempo (cambios,ciclos) y consistente y cohesionado en <strong>la</strong> materia (loscuatro elementos), al que se añadía un Caosincognoscible, ha durado <strong>de</strong>s<strong>de</strong> los filósofos presocráticoshasta el siglo XVII, es <strong>de</strong>cir más <strong>de</strong> dos mi<strong>la</strong>ños. La i<strong>de</strong>a fundamental, resaltada por Aristóteles,en <strong>la</strong> cual se basaba esa opinión, era el concepto <strong>de</strong>lcontinuo, es <strong>de</strong>cir, que <strong>la</strong> materia, el espacio, elmovimiento y el tiempo no están constituidos porpartes indivisibles y por en<strong>de</strong> son in<strong>de</strong>finidamentedivisibles. Hubo otra concepción, l<strong>la</strong>mada atomismoantiguo, que asumía que <strong>la</strong> materia estaba formada porpartes indivisibles (átomos) y por el vacío, pero <strong>la</strong>i<strong>de</strong>ntificación <strong>de</strong>l vacío con <strong>la</strong> nada metafísica,provocó <strong>la</strong> aparición <strong>de</strong>l concepto <strong>de</strong> horror al vacíoen una sociedad dada a <strong>la</strong> especu<strong>la</strong>ción y no a <strong>la</strong> experimentación.Por simple <strong>de</strong>ducción, al i<strong>de</strong>ntificar elvacío con <strong>la</strong> nada, no se realizaron hasta el siglo XVIIlos experimentos (Torricelli, Boyle) que pusieron enjaque <strong>la</strong> i<strong>de</strong>a <strong>de</strong>l continuo. Por otra parte, convienerecordar que <strong>la</strong> Ciencia mo<strong>de</strong>rna clásica, asume queespacio y tiempo son propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> <strong>la</strong> materia, y queel vacío tampoco es <strong>la</strong> nada. En este sentido, elespacio, el tiempo y el movimiento se consi<strong>de</strong>ran continuos,no así <strong>la</strong> materia, dado que <strong>la</strong> Química (reaccionesheterogéneas con <strong>de</strong>sprendimiento <strong>de</strong> gases oprecipitación <strong>de</strong> sólidos), el movimiento browniano ylos experimentos <strong>de</strong> Perrin, estos últimos en el sigloXX, establecieron <strong>la</strong> discontinuidad, consolidándoseasí el atomismo mo<strong>de</strong>rno, que como hipótesis habíapropuesto Gassendi en el siglo XVII.Para <strong>la</strong> ciencia mo<strong>de</strong>rna clásica, el espacio y eltiempo no son cosas concretas, pues no poseenenergía, <strong>la</strong> propiedad <strong>de</strong> <strong>la</strong>s cosas materiales. SegúnLeibnitz, espacio y tiempo son ór<strong>de</strong>nes o re<strong>la</strong>ciones,no cosas, el espacio es el or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> <strong>la</strong>s cosas existentesy el tiempo <strong>de</strong> <strong>la</strong>s sucesivas. El espacio y el tiempoabsolutos <strong>de</strong> Newton son ficciones útiles. El espacio yel tiempo son, pues, propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> <strong>la</strong> materia, sonmateriales, pero no materia. Por lo tanto, el espacio yel tiempo están re<strong>la</strong>cionados con <strong>la</strong> materia y solos noson nada; sin embargo al ser propieda<strong>de</strong>s materialesson reales y objetivos. La causalidad es el principiosubyacente que liga causas y efectos, es <strong>de</strong>cir, es <strong>la</strong>influencia <strong>de</strong> un suceso sobre otro a lo <strong>la</strong>rgo <strong>de</strong>ltiempo y <strong>de</strong>l espacio.La ciencia <strong>de</strong>l siglo XIX incluía tres enfoques:Dinámico reversible (aplicado a <strong>la</strong>s partícu<strong>la</strong>s individuales),termodinámico irreversible (aplicado almundo macroscópico <strong>de</strong> los colectivos <strong>de</strong> partícu<strong>la</strong>s) yestructural (vectorial) <strong>de</strong> campos electromagnéticos(aplicado a partícu<strong>la</strong>s interaccionantes cargadas enmovimiento y por en<strong>de</strong> a <strong>la</strong> Química, don<strong>de</strong> el en<strong>la</strong>cetiene origen electromagnético, y a <strong>la</strong> Óptica). Einsteinen 1905 resolvió <strong>la</strong>s paradojas en <strong>la</strong>s fronteras mutuas<strong>de</strong> esos tres enfoques. Así, entre <strong>la</strong> Mecánica y <strong>la</strong>Termodinámica, con el estudio <strong>de</strong>l movimiento brownianoresolvió el conflicto <strong>de</strong> <strong>la</strong> discrepancia entre <strong>la</strong>svelocida<strong>de</strong>s observadas y <strong>la</strong>s calcu<strong>la</strong>das según el principio<strong>de</strong> equipartición, mediante el establecimiento <strong>de</strong><strong>la</strong>s fluctuaciones <strong>de</strong> <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> <strong>la</strong> materia discontinua(ver Apdo. III), don<strong>de</strong> el principio <strong>de</strong> equipartición no
Jesús Santamaría Antonio Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2008; 102 67juega ningún papel. Entre <strong>la</strong> Mecánica y <strong>la</strong> Electrodinámica,resolvió el conflicto entre el postu<strong>la</strong>do <strong>de</strong> <strong>la</strong>re<strong>la</strong>tividad <strong>de</strong>l movimiento y <strong>la</strong> constancia <strong>de</strong> <strong>la</strong>velocidad <strong>de</strong> <strong>la</strong> luz, estableciendo <strong>la</strong> teoría <strong>de</strong> <strong>la</strong> re<strong>la</strong>tividadrestringida. Finalmente, entre <strong>la</strong> Termodinámicay <strong>la</strong> Electrodinámica, resolvió el conflicto entreel continuo <strong>de</strong> longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>l espectro electromagnéticoy <strong>la</strong> equipartición <strong>de</strong> energía por modo en <strong>la</strong>radiación <strong>de</strong> calor (catástrofe ultravioleta), estableciendoel concepto <strong>de</strong> cuanto <strong>de</strong> energía electromagnéticaó fotón.La i<strong>de</strong>a <strong>de</strong>l éter, introducida para salvar <strong>la</strong> vacuidadsin materia <strong>de</strong>l espacio y como medio físico para <strong>la</strong>sosci<strong>la</strong>ciones <strong>de</strong> los campos electromagnéticos, subsistióhasta comienzos <strong>de</strong>l siglo XX, cuando, tras elexperimento <strong>de</strong> Michelson y Morley <strong>de</strong> 1887, Einstein<strong>la</strong> abandonó como hipótesis superflua. La confirmación<strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo atómico <strong>de</strong> Rutherford (1911)llegó a profundizar en el concepto <strong>de</strong> vacío como zonadon<strong>de</strong> se manifiestan los gradientes <strong>de</strong> camposesca<strong>la</strong>res y potenciales electromagnéticos: En efecto,el átomo es, en más <strong>de</strong> un 95%, un gran vacío.La <strong>de</strong>finición <strong>de</strong> partícu<strong>la</strong> como unidad discreta <strong>de</strong>materia, que posee atributos <strong>de</strong> masa, momento, cargay espín conduce en el mo<strong>de</strong>lo estándar, para distancias18< 10 − m., a seis leptones y a seis quarks, que constituyenlos <strong>la</strong>drillos con los que está constituido elcosmos. Es <strong>de</strong>cir <strong>la</strong> materia, en su forma más elementalestá compuesta por fermiones (leptones yquarks) y <strong>la</strong>s fuerzas se transmiten por intercambio <strong>de</strong>bosones. La interacción fuerte entre quarks <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>los núcleos atómicos se transmite mediante gluones; <strong>la</strong>interacción débil, responsable <strong>de</strong> <strong>la</strong>s <strong>de</strong>sintegracionesradiativas se transmite mediante bosones Z 0 , W + yW − , mientras que <strong>la</strong> interacción electromagnética estámediada por fotones. Des<strong>de</strong> un punto <strong>de</strong> vista lógico,cualquier cosa indivisible <strong>de</strong>be ser enteramente homogéneae in<strong>de</strong>formable (inelástica) y <strong>la</strong> fuerza aplicada<strong>de</strong>be pasar instantáneamente a su través. Si fuera<strong>de</strong>formable, tendría estructura, <strong>la</strong> <strong>de</strong>formación sepropagaría en el tiempo y por lo tanto esa partícu<strong>la</strong>sería compuesta y divisible. En <strong>la</strong> práctica, hasta llegara <strong>la</strong> dimensión y tiempo <strong>de</strong> P<strong>la</strong>nck (supercuerdas), es<strong>la</strong> magnitud <strong>de</strong> <strong>la</strong> fuerza aplicada <strong>la</strong> que <strong>de</strong>termina siun trozo <strong>de</strong> materia es divisible o no. Así hoy en día seestá buscando el momento dipo<strong>la</strong>r eléctrico <strong>de</strong>lelectrón.En este trabajo nos ceñiremos a <strong>la</strong> materia ordinariaconstituida por núcleos y electrones (sin ir a <strong>la</strong> esca<strong>la</strong>más baja <strong>de</strong> partícu<strong>la</strong>s elementales), don<strong>de</strong> <strong>la</strong>s interaccionesentre ellos son <strong>de</strong> tipo electromagnético(fotones), es <strong>de</strong>cir nos reducimos a lo que se l<strong>la</strong>ma elámbito <strong>de</strong> <strong>la</strong> Ciencia atómico- molecu<strong>la</strong>r y óptica.Conviene recordar que, según <strong>la</strong> Física actual, elmundo no se pue<strong>de</strong> dividir entre materia y espacioabsolutamente vacío. En efecto, el principio <strong>de</strong> incertidumbre<strong>de</strong> <strong>la</strong> Mecánica Cuántica afecta, con <strong>la</strong>energía <strong>de</strong>l punto cero, a <strong>la</strong>s fluctuaciones <strong>de</strong>l vacíomismo. El establecimiento <strong>de</strong> este vacío dinámico serealizó en 1947 con el <strong>de</strong>scubrimiento <strong>de</strong>l efecto Lamb(4), seguido en 1948 con el efecto Casimir (5) y <strong>la</strong>medición por Kleppner (6) <strong>de</strong> <strong>la</strong> inhibición <strong>de</strong> emisiónradiativa en los años 70.En el siglo XX con <strong>la</strong>s tres revoluciones científicas,Re<strong>la</strong>tividad (1905, 1915), Mecánica Cuántica (1925) yTeoría <strong>de</strong>l caos (1963), esta última (7) como parte <strong>de</strong> <strong>la</strong>Teoría <strong>de</strong> <strong>la</strong> complejidad en general, se ha dado uncambio cualitativo <strong>de</strong> significado en los objetivos <strong>de</strong> <strong>la</strong>ciencia misma. La re<strong>la</strong>tividad restringida elimina <strong>la</strong>in<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ncia entre el espacio y el tiempo, <strong>de</strong>biéndosehab<strong>la</strong>r <strong>de</strong>l espacio-tiempo, pero esto nos afecta menosque <strong>la</strong> Mecánica Cuántica que, al eliminar los principios<strong>de</strong> objetividad y causalidad, reduce <strong>la</strong> ciencia anivel microscópico al estudio <strong>de</strong> <strong>la</strong>s condiciones <strong>de</strong>posibilidad <strong>de</strong> lo real observable, regidas por comportamientosestadísticos. La Teoría <strong>de</strong>l caos <strong>de</strong>terminísticopermite entrar en el estudio <strong>de</strong> lo que losgriegos consi<strong>de</strong>raban incognoscible, es <strong>de</strong>cir, permiteun estudio <strong>de</strong> fenómenos no regu<strong>la</strong>res (con menosconstantes <strong>de</strong> movimiento que los grados <strong>de</strong> libertad<strong>de</strong>l sistema) y establece una jerarquía <strong>de</strong>l caos en esosfenómenos.Nuestro estudio <strong>de</strong> los fenómenos más rápidos ymás localizados <strong>de</strong> <strong>la</strong> materia ordinaria, viene caracterizadopor el tamaño <strong>de</strong> <strong>la</strong> muestra (micro, meso,macro) y por el tipo <strong>de</strong> comportamiento (coherente,incoherente) <strong>de</strong> <strong>la</strong>s varias interacciones que los gobiernan.A nivel microscópico el comportamiento <strong>de</strong>lsistema viene gobernado por <strong>la</strong> Mecánica Cuántica quepredice un comportamiento coherente basado en <strong>la</strong>función <strong>de</strong> onda como combinación lineal <strong>de</strong> estadoscuánticos <strong>de</strong>l sistema, es <strong>de</strong>cir que <strong>la</strong> matriz <strong>de</strong>nsida<strong>de</strong>s no diagonal. A nivel macroscópico, <strong>la</strong>s propieda<strong>de</strong>s
Jesús Santamaría Antonio Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2008; 102 69pitados, <strong>la</strong> Cristalografía, el movimiento browniano,los fenómenos críticos como <strong>la</strong> opalescencia, <strong>la</strong> espectroscopiainfrarroja, <strong>la</strong>s propieda<strong>de</strong>s coligativas como<strong>la</strong> presión osmótica y finalmente los equilibrios <strong>de</strong> sedimentaciónestudiados por Perrin.La Cristalografía (Haüy, 1784), con sus leyes <strong>de</strong>simetría, índices racionales y tamaño <strong>de</strong> <strong>la</strong> celda elemental,contribuyó a establecer unas leyes <strong>de</strong> esca<strong>la</strong>frente a <strong>la</strong> uniformidad <strong>de</strong> <strong>la</strong> teoría <strong>de</strong>l continuo.La visualización <strong>de</strong> partícu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> polen enmovimiento en el seno <strong>de</strong> un líquido (Brown, 1828)significó el ejemplo más c<strong>la</strong>ro <strong>de</strong> <strong>la</strong> discontinuidad.Este fenómeno compatible con el equilibrio termodinámico,pone en colisión <strong>la</strong> teoría cinética <strong>de</strong> gasescon el segundo principio <strong>de</strong> <strong>la</strong> termodinámica,paradoja resuelta por Einstein (12) en 1905 mediante<strong>la</strong> ley <strong>de</strong> <strong>de</strong>sp<strong>la</strong>zamiento medio en función <strong>de</strong> <strong>la</strong> raizcuadrada <strong>de</strong>l tiempo transcurrido, sin <strong>de</strong>finir velocida<strong>de</strong>s<strong>de</strong> <strong>la</strong>s partícu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> polen:2∆ x = ∆6D tLos fenómenos <strong>de</strong> opalescencia crítica (ver Fig. 1),<strong>de</strong>scubiertos por T. Andrews en 1863, son <strong>de</strong>bidos a <strong>la</strong>aparición <strong>de</strong> corre<strong>la</strong>ciones <strong>de</strong> <strong>la</strong>rgo alcance entre <strong>la</strong>smolécu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> líquido <strong>de</strong> <strong>de</strong>nsidad ρ, que está muypróximo a un cambio a fase gas. Estas corre<strong>la</strong>ciones <strong>de</strong><strong>la</strong>rgo alcance se hacen visibles macroscópicamente.Figura 1. Variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> opalescencia crítica en <strong>la</strong>s proximida<strong>de</strong>s<strong>de</strong>l punto crítico T c <strong>de</strong> un líquido encerrado en un tubotransparente, poniendo <strong>de</strong> manifiesto <strong>la</strong>s interacciones <strong>de</strong><strong>la</strong>rgo alcance entre <strong>la</strong>s partícu<strong>la</strong>s <strong>de</strong>l líquido, lo cual se manifiestaen <strong>la</strong> difusión <strong>de</strong> luz.2Las fluctuaciones en <strong>de</strong>nsidad, ∆N N , están re<strong>la</strong>cionadascon <strong>la</strong> función <strong>de</strong> distribución radial g(r)mediante <strong>la</strong> expresión:don<strong>de</strong> h(r) = g (r) −1 y en <strong>la</strong>s proximida<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l puntocrítico se cumple que h(r) = h(o)/r, <strong>la</strong> cual <strong>de</strong>cae lentamentecon <strong>la</strong> distancia. De esta forma <strong>la</strong> intensidad <strong>de</strong><strong>la</strong> luz, I(θ), difundida por el líquido opalescente vienedada pordon<strong>de</strong> el vector <strong>de</strong> ondas k, diferencia entre el inci<strong>de</strong>ntey el difundido, viene dado por k = (4π senθ)/λ.Por otra parte, los químicos comenzaron hacia 1880a utilizar los espectros infrarrojos <strong>de</strong> muchas sustanciasquímicas como huel<strong>la</strong>s dacti<strong>la</strong>res <strong>de</strong> <strong>la</strong>smismas lo que indicaba que había estructurasmicroscópicas idénticas <strong>de</strong> agregados <strong>de</strong> átomos quecaracterizaban cada sustancia.El tema <strong>de</strong> <strong>la</strong>s propieda<strong>de</strong>s coligativas, en particu<strong>la</strong>r<strong>la</strong> presión osmótica <strong>de</strong> <strong>la</strong>s disoluciones <strong>de</strong> electrolitos,tuvo su explicación cuando J. H. van´t Hoff(1885) y W. Pfefer (1887) comprobaron que había quetener en cuenta el número <strong>de</strong> partícu<strong>la</strong>s disueltas, <strong>la</strong>scuales se comportaban como <strong>la</strong>s molécu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> un gas.Aún así, los físicos l<strong>la</strong>mados energeticistas, con elempirista E. Mach a <strong>la</strong> cabeza, a los que se opusoBoltzmann, afirmaban que <strong>la</strong>s leyes físicas son unaeconomía <strong>de</strong> pensamiento y <strong>la</strong>s afirmaciones <strong>de</strong> <strong>la</strong>Física son únicamente afirmaciones sobre percepcionessensoriales, es <strong>de</strong>cir como los convencionalistas(Duhem, Poincaré, Eddington) mantenían que <strong>la</strong>sleyes <strong>de</strong> <strong>la</strong> naturaleza son estructuras lógicas inventadasy los experimentos son los caminos especiales <strong>de</strong>seleccionar datos sensoriales que se acomo<strong>de</strong>n a <strong>la</strong>speculiarida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> esas leyes. Esta concepción fue consi<strong>de</strong>radaexcesivamente restrictiva por los positivistaslógicos (Russell, Whitehead, Reichenbach, Wittgenstein)<strong>de</strong>l siglo XX, y también por Popper, que<strong>de</strong>fendieron el carácter objetivo <strong>de</strong> <strong>la</strong>s leyes naturales.Sin embargo, a finales <strong>de</strong>l XIX y principios <strong>de</strong>l XXmuchos científicos, como W. Ostwald, el fundador <strong>de</strong><strong>la</strong> disciplina Química Física, mantenían que losátomos y los electrones no existían. Todo ello a pesar
70Jesús Santamaría AntonioRev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2008; 102cohesión, <strong>la</strong>s cuales dan entidad permanente a <strong>la</strong>scosas materiales. Así po<strong>de</strong>mos hab<strong>la</strong>r, en el mundoinorgánico <strong>de</strong> rocas, minerales, cristales, agregadosmolecu<strong>la</strong>res y atómicos, molécu<strong>la</strong>s, átomos, iones,núcleos atómicos, electrones, etc. y en el mundobiológico <strong>de</strong> célu<strong>la</strong>s, bacterias, núcleo celu<strong>la</strong>r, diferentesorgánulos, macromolécu<strong>la</strong>s biológicas, ácidosnucléicos, ADN, etc (ver Diagrama 1).Figura 2. Determinación experimental <strong>de</strong> equilibrios <strong>de</strong> sedimentaciónestudiados mediante <strong>la</strong> colocación, en el p<strong>la</strong>nofocal <strong>de</strong> <strong>la</strong> cámara, <strong>de</strong> un diafragma formado por un discoopaco <strong>de</strong> una lámina metálica al que se le practica un pequeñoagujero. A. Emulsión <strong>de</strong> resina en agua, con tamaño <strong>de</strong>partícu<strong>la</strong> <strong>de</strong> ~1µm. B. Emulsión <strong>de</strong> esferas <strong>de</strong> amarillo camboya<strong>de</strong> tamaño ~0.29µm. C. Emulsión <strong>de</strong> caucho <strong>de</strong> tamaño<strong>de</strong> grano ~0.52 µm.<strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong>terminación <strong>de</strong> <strong>la</strong> re<strong>la</strong>ción carga-masa, e/m <strong>de</strong>lelectrón en el experimento <strong>de</strong> J. J. Thompson <strong>de</strong> 1897.Fue J. B. Perrin (13) en 1908, con sus experimentossobre medidas <strong>de</strong>l <strong>de</strong>sp<strong>la</strong>zamiento al azar en elmovimiento browniano, con <strong>la</strong> <strong>de</strong>terminación <strong>de</strong>lnúmero <strong>de</strong> Avogadro y con el estudio <strong>de</strong> los equilibrios<strong>de</strong> sedimentación (ver Fig. 2), quien convenció a <strong>la</strong>comunidad científica <strong>de</strong> <strong>la</strong> existencia e individualidad<strong>de</strong> los átomos. Así en el equilibrio <strong>de</strong> sedimentación, <strong>la</strong>presión a una cierta altura viene dada porp=p0exp (-N Amgh RT )don<strong>de</strong> N A es el número <strong>de</strong> Avogadro, m <strong>la</strong> masa <strong>de</strong> <strong>la</strong>partícu<strong>la</strong> y h <strong>la</strong> altura. El propio Einstein realizó sutesis doctoral sobre <strong>la</strong> <strong>de</strong>terminación <strong>de</strong>l tamaño <strong>de</strong> losátomos. El resto <strong>de</strong> <strong>la</strong> historia es conocido: mo<strong>de</strong>losatómicos <strong>de</strong> Rutherford, y Bohr, Mecánica Cuántica,Teoría cuántica <strong>de</strong> campos, partícu<strong>la</strong>s elementales, etc.Frente a <strong>la</strong> i<strong>de</strong>a antigua <strong>de</strong> corre<strong>la</strong>cionar lo fuertecon lo gran<strong>de</strong>, <strong>la</strong> propia naturaleza discontinua <strong>de</strong> <strong>la</strong>materia lleva a asociar fortaleza con fuerzas <strong>de</strong> cortoalcance en general, es <strong>de</strong>cir, el origen <strong>de</strong> <strong>la</strong>s fuerzas(<strong>de</strong>jando aparte <strong>la</strong> gravitación como curvatura <strong>de</strong>lespacio-tiempo) está en <strong>la</strong>s partícu<strong>la</strong>s discretas y esasfuerzas <strong>de</strong>ben ser consiguientemente más intensascuanto menor es <strong>la</strong> distancia entre partícu<strong>la</strong>s.Se pue<strong>de</strong> afirmar que <strong>la</strong> carrera comenzó con el<strong>de</strong>scubrimiento <strong>de</strong>l microscopio por Z. Janssen en1590. A continuación en el siglo XVII se i<strong>de</strong>ntificaron<strong>la</strong>s primeras célu<strong>la</strong>s vegetales (celdas <strong>de</strong> corcho) porR. Hooke como <strong>de</strong>jó p<strong>la</strong>smado en su libroMicrographia (1667), seguido poco <strong>de</strong>spués con <strong>la</strong>i<strong>de</strong>ntificación <strong>de</strong> célu<strong>la</strong>s en animales (espermatozoi<strong>de</strong>s,etc.) por A. van Leeuwenhoek (1675). Lasleyes <strong>de</strong> <strong>la</strong> óptica permitieron calcu<strong>la</strong>r el tamaño <strong>de</strong> <strong>la</strong>scélu<strong>la</strong>s que cae entre 1 y 20 micrometros (1µm=10 −6m). En el siglo XIX, R. Brown, el <strong>de</strong>scubridor <strong>de</strong>lmovimiento browniano, i<strong>de</strong>ntificó en 1831 el núcleo<strong>de</strong> <strong>la</strong>s célu<strong>la</strong>s. Los avances en Óptica, <strong>de</strong>bidos principalmentea E. Abbe (1877), llevaron a interpretar <strong>la</strong>imagen como un efecto <strong>de</strong> interferencia en el p<strong>la</strong>noimagen que sigue a un fenómeno <strong>de</strong> difracción en elIV.LA CARRERA POR EL TAMAÑO OLOCALIZACIÓNFuertemente ligada a <strong>la</strong> discontinuidad <strong>de</strong> <strong>la</strong>materia, el tamaño <strong>de</strong> <strong>la</strong>s distintas entida<strong>de</strong>s materialescon que nos encontramos viene <strong>de</strong>terminado en últimotérmino por <strong>la</strong> magnitud y naturaleza <strong>de</strong> <strong>la</strong>s fuerzas <strong>de</strong>Diagrama 1. Esca<strong>la</strong> <strong>de</strong> tamaño <strong>de</strong> entida<strong>de</strong>s materiales
Jesús Santamaría Antonio Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2008; 102 71p<strong>la</strong>no objeto, es <strong>de</strong>cir se producen dos transformadas<strong>de</strong> Fourier consecutivas. Esta i<strong>de</strong>a ha servido posteriormentepara superar <strong>la</strong> limitación <strong>de</strong> <strong>la</strong> imagenóptica, extendiéndo<strong>la</strong> a todo tipo <strong>de</strong> difracción electrónicay <strong>de</strong> rayos X. R. Zsigmondy (14) en 1903 construyóel ultramicroscopio, que le permitió ver coloi<strong>de</strong>sy mice<strong>la</strong>s, llegándose a una resolución en torno a los100 nm. F. Zernike (15) en 1932 construyó el primermicroscopio <strong>de</strong> contraste <strong>de</strong> fase para observar <strong>la</strong>estructura <strong>de</strong> los tejidos orgánicos. El primer microscopiono óptico basado en <strong>la</strong> naturaleza ondu<strong>la</strong>toria <strong>de</strong>los electrones, microscopio electrónico, fue diseñadopor E. Ruska (16) en 1932, utilizando lentes magnéticasque difractan el chorro <strong>de</strong> electrones. La resoluciónsupera el límite óptico <strong>de</strong>l microscopioordinario en varios ór<strong>de</strong>nes <strong>de</strong> magnitud, pudiéndosellegar actualmente hasta 0.2 nm. Finalmente en 1981,G. Bining y H. Rohrer (17) construyeron el microscopio<strong>de</strong> efecto túnel electrónico (STM, ScanningTunneling Microscope) con resolución atómica (0,1nm.) al aproximar un electrodo en punta a una superficiesólida. La transitividad túnel <strong>de</strong>crece exponencialmentecon <strong>la</strong> distancia túnel a razón <strong>de</strong> un factor 10por cada Ängstrom, lográndose <strong>de</strong> este modo unarespuesta <strong>de</strong> <strong>la</strong> distribución corrugada atómica <strong>de</strong> <strong>la</strong>superficie sólida estudiada, respuesta que es <strong>de</strong> naturalezaespectroscópica pero atómica local. Este instrumento,por tanto, aunque l<strong>la</strong>mado microscopio incluyetécnicas espectroscópicas <strong>de</strong> <strong>de</strong>tección. Más aún en <strong>la</strong>sactuales técnicas experimentales, microscopios <strong>de</strong>fuerza atómica en 1986, <strong>de</strong> campo cercano (18) en1983, multifotónicos, confocales (19), etc. <strong>de</strong>saparece<strong>la</strong> distinción entre Microscopía (imagen con lentesópticas o magnéticas), Espectroscopía (respuesta omodificación <strong>de</strong> <strong>la</strong> estructura <strong>de</strong>l sistema, muchasveces molécu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> un gas, al cambio <strong>de</strong> campoexterno en el dominio temporal o <strong>de</strong> frecuencias) yDifracción (respuesta <strong>de</strong> una estructura espacial, caracterizadapor una distribución electrónica,- en rayosX- o <strong>de</strong> núcleos,-en difracción electrónica-, al haz <strong>de</strong>dispersión en el dominio espacial o <strong>de</strong> vector <strong>de</strong>ondas), dado que <strong>la</strong>s últimas técnicas usan recursoscombinados <strong>de</strong> <strong>la</strong>s tres.En el estudio <strong>de</strong> <strong>la</strong> estructura <strong>de</strong> sólidos y enBiología estructural no po<strong>de</strong>mos olvidar <strong>la</strong>s aportaciones<strong>de</strong> <strong>la</strong> técnica <strong>de</strong> rayos X, sobresaliendo losconocidos estudios <strong>de</strong> proteínas, ácidos nucleicos(ADN, etc.).En el apartado <strong>de</strong> técnicas <strong>de</strong> estudio <strong>de</strong> molécu<strong>la</strong>sbiológicas individuales (motores molecu<strong>la</strong>res, etc.) losavances están siendo enormes. Así hay que <strong>de</strong>stacar <strong>la</strong>stécnicas <strong>de</strong> <strong>de</strong>tección (escaneo, ópticas, RMN multidimensional)y <strong>de</strong> manipu<strong>la</strong>ción (trampas ópticas, magnéticas,etc.). Este ámbito requeriría un estudioindividualizado por su importancia en Bioquímica yBiología.V. LA CARRERA POR EL TIEMPOEste apartado es el más novedoso <strong>de</strong> este estudio,aunque siempre el tiempo ha sido objeto <strong>de</strong> unaatención especial <strong>de</strong>s<strong>de</strong> Heráclito, <strong>la</strong> Biblia como historia<strong>de</strong> salvación y San Agustín. Sin embargo, presentamás dificulta<strong>de</strong>s <strong>de</strong> comprensión que el espacio.Así, por citar un investigador actual, para J. A.Wheeler “el tiempo es el camino que encuentra <strong>la</strong> naturalezapara evitar que todo suceda a <strong>la</strong> vez”, lo cualsólo hace recordar que <strong>la</strong> flecha <strong>de</strong>l tiempo es un componenteesencial <strong>de</strong> los <strong>la</strong>zos causales. Los avances en<strong>la</strong> concepción <strong>de</strong>l tiempo se dieron con el establecimiento<strong>de</strong>l segundo principio <strong>de</strong> <strong>la</strong> Termodinámica enel siglo XIX, que superaba <strong>la</strong> concepción newtoniana<strong>de</strong>l tiempo como mera duración sustituyéndo<strong>la</strong> por <strong>la</strong>i<strong>de</strong>a <strong>de</strong> flecha unidireccional <strong>de</strong> evolución <strong>de</strong> procesos.La concepción <strong>de</strong>l tiempo como duración, comonumeración <strong>de</strong> un movimiento genérico global uniforme<strong>de</strong>l cosmos, es <strong>la</strong> que <strong>la</strong> humanidad ha mantenidopara construir los relojes, basados en <strong>la</strong> i<strong>de</strong>aválida (Aristóteles, Kant) <strong>de</strong> que sin movimiento nohay tiempo. A <strong>la</strong> luz <strong>de</strong> <strong>la</strong> teoría <strong>de</strong> <strong>la</strong> Re<strong>la</strong>tividad, estaconcepción <strong>de</strong>l tiempo totalmente in<strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong>lespacio, es sólo una ficción útil.Nosotros, a pesar <strong>de</strong> referirnos fundamentalmente aprocesos que ocurren en un mundo cuántico (reaccionesquímicas elementales), seguimos manteniendo,dado que nuestra mente es clásica, que los cambios enel tiempo son continuos y que todos los sucesos sonprovocados por cambios locales a tiempos más cortos.En efecto a partir <strong>de</strong> <strong>la</strong>s expresiones <strong>de</strong> <strong>la</strong> MecánicaCuántica, ∆∆ x p∼h, y ∆E∆t∼h, recordando que para2una partícu<strong>la</strong> libre con energía E=p 2m, <strong>la</strong> incertidumbreenergética es ∆ E= ( p m)∆p,se obtiene unare<strong>la</strong>ción útil entre <strong>la</strong>s incertidumbres espacial y temporal
72Jesús Santamaría AntonioRev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2008; 102∆ x = ( p m)∆tes <strong>de</strong>cir, a cada rango espacial don<strong>de</strong> predomina untipo <strong>de</strong> fuerzas, nuclear fuerte ( ∆ x
Jesús Santamaría Antonio Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2008; 102 73Figura 3. Sistema óptico (parte superior) y <strong>de</strong> vacío con haz molecu<strong>la</strong>r cruzado con pulsos láser (parte inferior) en Femtoquímica. En<strong>la</strong> parte superior se muestra como <strong>la</strong> dife-rencia <strong>de</strong> caminos ópticos, entre el pulso (amarillo) <strong>de</strong> bombeo y el pulso (rojo) <strong>de</strong> sonda,se logra <strong>de</strong>sp<strong>la</strong>zando el prisma. (Tomado <strong>de</strong> Ref. 21).los que está en resonancia y no so<strong>la</strong>mente con unocomo en el caso <strong>de</strong> frecuencia fija <strong>de</strong> un láser continuo.El movimiento <strong>de</strong> los átomos provocado por un pulsoláser se <strong>de</strong>scribe mediante una superposición coherente(paquete <strong>de</strong> ondas) <strong>de</strong> ese conjunto <strong>de</strong> estadosvibracionales. El método <strong>de</strong> conseguir pulsos se basaen introducir, en <strong>la</strong> cavidad óptica <strong>de</strong> un láser, unespectro ancho <strong>de</strong> frecuencias <strong>la</strong>s cuales provocan, porefecto <strong>de</strong> sus fases, <strong>la</strong> aparición <strong>de</strong> pulsos, que vienenseparados en el tiempo por ∆t=2L/c, don<strong>de</strong> L es <strong>la</strong> longitud<strong>de</strong> <strong>la</strong> cavidad y c <strong>la</strong> velocidad <strong>de</strong> <strong>la</strong> luz.Para po<strong>de</strong>r seguir en el tiempo <strong>la</strong> evolución <strong>de</strong> <strong>la</strong>molécu<strong>la</strong> excitada por el pulso láser (pulso <strong>de</strong> bombeo)es preciso aplicar un método estroboscópico, pero con<strong>la</strong>s siguientes peculiarida<strong>de</strong>s. Dado que el láser modificael estado dinámico <strong>de</strong> <strong>la</strong> molécu<strong>la</strong>, no po<strong>de</strong>mosusar sucesiva e in<strong>de</strong>finidamente pulsos láser, sino queso<strong>la</strong>mente pue<strong>de</strong> usarse un segundo pulso (pulso <strong>de</strong>sonda) con un retardo <strong>de</strong>finido respecto al primero yque lleva a <strong>la</strong> molécu<strong>la</strong> a una situación don<strong>de</strong> se<strong>de</strong>tecta automáticamente <strong>la</strong> evolución <strong>de</strong>l estado modificado.El retardo entre los dos pulsos, que tienen unorigen simultáneo en un espejo semitransparente, seconsigue cambiando el camino óptico <strong>de</strong>l segundomediante un prisma (en óptica, el tiempo se traduce endistancia). De esa manera se consigue, con cada par <strong>de</strong>pulsos, un punto <strong>de</strong>l camino <strong>de</strong> reacción o estadodinámico <strong>de</strong>l complejo activado. Hay que repetirmuchas veces el par <strong>de</strong> pulsos, cada vez con distintoretardo, para obtener una <strong>de</strong>scripción temporal, lo más<strong>de</strong>tal<strong>la</strong>da posible, <strong>de</strong> <strong>la</strong> evolución dinámica <strong>de</strong> <strong>la</strong>
74Jesús Santamaría AntonioRev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2008; 102Figura 4. Parte izda. Proceso <strong>de</strong> ionización túnel <strong>de</strong> una molécu<strong>la</strong> alineada con un láser. a) Contorno isopotencial por don<strong>de</strong>, en <strong>la</strong>parte que se abre, se tunelea <strong>la</strong> función <strong>de</strong> onda electrónica. b) Ilustración <strong>de</strong>l paquete electrónico <strong>de</strong> ondas recolisionante visto por<strong>la</strong> molécu<strong>la</strong>. Parte <strong>de</strong>cha. Función <strong>de</strong> onda orbital molecu<strong>la</strong>r <strong>de</strong>l N 2 . a) Función <strong>de</strong> onda reconstruida <strong>de</strong>l HOMO <strong>de</strong>l N 2 , medianteinversión topográfica <strong>de</strong>l espectro <strong>de</strong> armónicos tomado a 19 ángulos distintos <strong>de</strong> proyección. b) Forma <strong>de</strong>l orbital 2pσ g <strong>de</strong>l N 2obtenido por cálculos ab initio. (Tomado <strong>de</strong> Ref. 25).molécu<strong>la</strong>. Esto es lo que se hace en Femtoquímica<strong>de</strong>s<strong>de</strong> 1987, tras los experimentos pioneros <strong>de</strong> Zewail(21), siendo una técnica profusamente usada en <strong>la</strong>actualidad. Estos experimentos no son <strong>de</strong> molécu<strong>la</strong>única, ni siquiera <strong>de</strong> colectivo único, sino que se hacensobre colectivos equivalentes <strong>de</strong> molécu<strong>la</strong>s y dan unainformación indirecta <strong>de</strong> <strong>la</strong> molécu<strong>la</strong>, es <strong>de</strong>cir, dan elcamino <strong>de</strong> reacción sobre el campo <strong>de</strong> fuerzas conservativo<strong>de</strong> <strong>la</strong> superficie <strong>de</strong> energía potencial, pero nodan una imagen directa <strong>de</strong> <strong>la</strong> molécu<strong>la</strong> (ver Fig. 3).La mayoría <strong>de</strong> los procesos químicos a tiemposcortos ocurren en fases con<strong>de</strong>nsadas o en superficies,don<strong>de</strong> el elevado número <strong>de</strong> átomos impi<strong>de</strong> construiruna superficie <strong>de</strong> potencial que explique el campo <strong>de</strong>fuerzas interatómico total, y lo que se hace es captarlos movimientos <strong>de</strong>l sistema <strong>de</strong> muchos cuerpos en elespacio real cartesiano tridimensional. La técnica <strong>de</strong>microscopia electrónica ultrarrápida (22), quecombina <strong>la</strong> metodología estroboscópica <strong>de</strong>l láser <strong>de</strong>femtosegundo con <strong>la</strong> microscopía electrónica pulsada<strong>de</strong> transmisión, permite estudiar, <strong>de</strong>bido a <strong>la</strong> fuerteinteracción electrón-materia, reacciones <strong>de</strong> molécu<strong>la</strong>sais<strong>la</strong>das o sobre superficies sólidas, y hasta <strong>la</strong> dinámicaestructural <strong>de</strong> transiciones <strong>de</strong> fase en capassólidas <strong>de</strong>lgadas. Por otra parte, <strong>la</strong> difracción <strong>de</strong> rayosX resuelta en el tiempo (23), con pulsos láser <strong>de</strong> rayosx <strong>de</strong> un sincrotrón o <strong>de</strong> un láser <strong>de</strong> electrones libres,permite estudiar cambios estructurales en fase sólida ydisolución. Los dispositivos experimentales (interferometríaóptica, fuentes <strong>de</strong> pulsos <strong>de</strong> electrones y rayosx, cámaras ultrarrápidas <strong>de</strong> <strong>de</strong>tección, etc.) requierenuna geometría única para lograr resolución espacial en<strong>la</strong> esca<strong>la</strong> atómica y resolución temporal por <strong>de</strong>bajo <strong>de</strong>lpicosegundo. Actualmente se están dando gran<strong>de</strong>savances en el empleo <strong>de</strong> estas técnicas, que caen en <strong>la</strong>zona <strong>de</strong> <strong>la</strong> femtociencia.El movimiento <strong>de</strong> los electrones a esca<strong>la</strong> atómicaha estado oculto a <strong>la</strong>s medidas experimentales hastaque se lograron pulsos <strong>de</strong> cientos <strong>de</strong> attosegundos en2001. La tecnología <strong>de</strong> attosegundos (1 as=10 −18 s) esradicalmente distinta (24) <strong>de</strong> <strong>la</strong> tecnología óptica <strong>de</strong>femtosegundos que <strong>la</strong> prece<strong>de</strong>, al integrar <strong>la</strong> óptica con<strong>la</strong> física <strong>de</strong> colisiones. En el medio no lineal en que seda esta tecnología, los pulsos ópticos <strong>de</strong> attosegundos
Jesús Santamaría Antonio Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2008; 102 75están siempre acompañados por un pulso <strong>de</strong> electronestambién en attosegundos. En efecto, para crear unpulso <strong>de</strong> as, se <strong>la</strong>nza un pulso láser <strong>de</strong> fs intenso en IR,que extrae, en <strong>la</strong> fase positiva <strong>de</strong>l pulso, un electrón <strong>de</strong>látomo o molécu<strong>la</strong> en forma <strong>de</strong> paquete <strong>de</strong> ondas electrónico.Cuando el pulso cambia <strong>de</strong> fase, el electrónrevierte al ión, recolisionando durante una pequeñafracción <strong>de</strong>l ciclo <strong>de</strong> osci<strong>la</strong>ción <strong>de</strong>l láser, es <strong>de</strong>cir, elión ve un pulso electrónico en attosegundos. Esteelectrón, o pulso electrónico, se pue<strong>de</strong> usar directamente,o bien su energía cinética, amplitud y fasepue<strong>de</strong>n convertirse en un fotón (pulso óptico) <strong>de</strong>attosegundos tras <strong>la</strong> colisión electrón-ión que generaradiación. Estos pulsos <strong>de</strong> attosegundos suponen en <strong>la</strong>práctica llevar el control <strong>de</strong> procesos hasta unas intensida<strong>de</strong>s<strong>de</strong> 10 18 2Wcm − . Por otra parte, los pulsos electrónicosal recolisionar con los iones molecu<strong>la</strong>res,permiten estudiar los movimientos rápidos <strong>de</strong> losnúcleos, <strong>la</strong> dinámica <strong>de</strong> re<strong>la</strong>jación electrónica, <strong>la</strong>geometría <strong>de</strong> los orbitales molecu<strong>la</strong>res (25) o atómicosy hasta <strong>la</strong> evolución <strong>de</strong> <strong>la</strong> nube electrónica en elproceso <strong>de</strong> reacción química (ver Fig. 4). Es <strong>de</strong>cir, sepue<strong>de</strong> llegar a <strong>de</strong>sentrañar completamente en espacio18(resolución en 0.1 Å)y tiempo (attosegundos, s)el proceso <strong>de</strong> reacción química con entero <strong>de</strong>talle, locual es el sueño <strong>de</strong> los químicos. Las posibilida<strong>de</strong>s quese abren para <strong>la</strong> Química son muy importantespudiéndose estudiar los límites <strong>de</strong> vali<strong>de</strong>z <strong>de</strong> <strong>la</strong> aproximaciónBorn-Oppenheimer y en concreto los procesosque implican movimientos no separables <strong>de</strong> núcleos yelectrones, tales como <strong>la</strong> dinámica en <strong>la</strong>s interseccionescónicas <strong>de</strong> superficies <strong>de</strong> potencial, procesovital para enten<strong>de</strong>r <strong>la</strong> Fotoquímica actualmente. Estosestudios merecen un tratamiento aparte.aparición en esos sistemas <strong>de</strong> propieda<strong>de</strong>s emergentes,es <strong>de</strong>cir, el surgimiento <strong>de</strong>l caos, <strong>la</strong> aparición <strong>de</strong> fenómenoscríticos como consecuencia <strong>de</strong> gran<strong>de</strong>s fluctuaciones,etc.Como hemos dicho, cuando el tamaño L <strong>de</strong> <strong>la</strong>muestra estudiada es menor que <strong>la</strong> longitud <strong>de</strong>coherencia en fase l ϕ (Ll ϕ . Conviene recordarque el término coherencia en Mecánica Cuántica seaplica cuando <strong>la</strong> función <strong>de</strong> onda conserva <strong>la</strong> fase en elespacio y en el tiempo. La coherencia temporal indicaque durante un cierto tiempo, tiempo <strong>de</strong> coherencia, t e ,<strong>la</strong> fase cambia <strong>de</strong> forma continua y pre<strong>de</strong>cible,<strong>de</strong>finiéndose <strong>la</strong> longitud <strong>de</strong> coherencia temporal L ϕ ,como L ϕ = (p/m)t e . La coherencia espacial, l e , indica elgrado <strong>de</strong> mantenimiento <strong>de</strong> <strong>la</strong> coherencia en faserespecto a <strong>la</strong> anchura transversal o ángulo ∆θ,<strong>de</strong>finiéndose por <strong>la</strong> condición l e .∆θ
76Jesús Santamaría AntonioRev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2008; 102establecimiento <strong>de</strong> premios anuales para logros tecnológicosen microciencia. La cronología <strong>de</strong> <strong>de</strong>scubrimientosy avances en Nanociencia (28) es muyilustrativa (ver diagrama 2).La resolución lograda porlos diferentes tipos <strong>de</strong> microscopios se expresa enpixeles (píxel es abreviatura <strong>de</strong> picture element, <strong>la</strong>unidad <strong>de</strong> información óptica).En <strong>la</strong> carrera <strong>de</strong> <strong>la</strong> complejidad ha jugado un papelimportante <strong>la</strong> imitación <strong>de</strong> <strong>la</strong> naturaleza, tanto en <strong>la</strong>snanoestructuras orgánicas como en <strong>la</strong>s inorgánicas.Así, por ejemplo, <strong>la</strong>s a<strong>la</strong>s <strong>de</strong> <strong>la</strong>s mariposas son estructurascristalinas fotónicas que manifiestan iri<strong>de</strong>scenciaen experimentos <strong>de</strong> difracción y actualmente enNanotecnología se busacan estructuras simi<strong>la</strong>res. Porotra parte <strong>la</strong> i<strong>de</strong>ntificación <strong>de</strong> célu<strong>la</strong>s (glóbulos rojos,etc.), orgánulos, motores molecu<strong>la</strong>res, etc. mediantemicroscopios bi y multifotónicos es hoy día algo rutinario.El diseño <strong>de</strong> nanoestructuras sintéticas está encontrandoextensísimas áreas <strong>de</strong> aplicación en Ciencia <strong>de</strong>los Materiales, Electrónica y Optoelectrónica, Medicinay Energía. En el área <strong>de</strong> los Materiales, en cuyafabricación <strong>la</strong> Química juega un papel, <strong>de</strong>stacan <strong>la</strong>obtención <strong>de</strong> los fullerenos, los nanotubos <strong>de</strong> carbono,los chips molecu<strong>la</strong>res, interruptores molecu<strong>la</strong>res, agregadossupramolecu<strong>la</strong>res, etc, aparte <strong>de</strong> materiales funcionales(cerámicas, biomateriales, etc.). Entre losmétodos <strong>de</strong> obtener dispositivos con estructuras funcionalesen <strong>la</strong> esca<strong>la</strong> nanométrica, <strong>de</strong>stacan <strong>la</strong> epitaxia<strong>de</strong> haces molecu<strong>la</strong>res, <strong>de</strong>posición <strong>de</strong> vapores orgánicossobre metales y técnicas re<strong>la</strong>cionadas dirigidas aobtener materiales semiconductores, etc. En el área <strong>de</strong>materiales magnéticos (nanoestructuras magnéticas,Espintrónica) ha aparecido en 1988 el fenómenomesoscópico <strong>de</strong> <strong>la</strong> magnetorresistencia gigante (29),<strong>de</strong> forma que hoy día gran parte <strong>de</strong>l interés está centradoen enten<strong>de</strong>r <strong>la</strong>s propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> transporte y magnéticas<strong>de</strong> objetos <strong>de</strong> nanoesca<strong>la</strong>: pelícu<strong>la</strong>s, cables,partícu<strong>la</strong>s finas y puntos cuánticos. Los avances hansido espectacu<strong>la</strong>res con técnicas <strong>de</strong> magnetometríamicroSQUID, microscopía <strong>de</strong> fuerza magnética,microscopía magneto-óptica <strong>de</strong> campo cercano, etc.En Electrónica Cuántica y Optoelectrónica, se harealizado en los últimos años un cambio <strong>completo</strong> <strong>de</strong><strong>la</strong> tecnología <strong>de</strong>l estado sólido. Por otra parte <strong>la</strong>s tecnologías<strong>de</strong> almacenamiento ópticas, en particu<strong>la</strong>r losCDs y DVDs, se han popu<strong>la</strong>rizado. Dentro <strong>de</strong> <strong>la</strong> interacciónláser-átomo, <strong>de</strong>staca <strong>la</strong> formación <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsados<strong>de</strong> Bose-Einstein (30), que <strong>de</strong> nuevo ponen <strong>de</strong>manifiesto <strong>la</strong>s propieda<strong>de</strong>s cuánticas, en este casobosónicas, <strong>de</strong> un agregado <strong>de</strong> ciertos átomos, queviene <strong>de</strong>scrito por una función <strong>de</strong> onda cuánticamacroscópica, pudiendo formarse un haz coherente <strong>de</strong>átomos para generar un láser atómico (el análogoatómico <strong>de</strong> un láser óptico).En Medicina, los avances van <strong>de</strong>s<strong>de</strong> <strong>la</strong> microcirugía,hasta <strong>la</strong> administración <strong>de</strong> fármacos in situ,regeneración <strong>de</strong> tejidos, empleo <strong>de</strong> biochips, biomateriales,etc.. Así, por ejemplo, se usan nanopartícu<strong>la</strong>s <strong>de</strong>oro para tratamientos <strong>de</strong> cáncer en ciertas zonas <strong>de</strong>lhígado, consiguiéndose, mediante excitación <strong>de</strong> <strong>la</strong>smismas en el infrarrojo próximo, <strong>de</strong>struir exclusivamenteel tejido canceroso.En el tema <strong>de</strong> conversión <strong>de</strong> Energía (célu<strong>la</strong>sso<strong>la</strong>res y <strong>de</strong> combustible, generación <strong>de</strong> hidrógeno porbiocatálisis, termoelectricidad) y su almacenamiento(baterías, supercon<strong>de</strong>nsadores, etc.), los avances estánsiendo espectacu<strong>la</strong>res, así como su uso industrial, loque escapa <strong>de</strong> este estudio.Para acabar, <strong>de</strong>bemos recordar <strong>de</strong> nuevo el tema <strong>de</strong><strong>la</strong> complejidad, cuya característica más saliente, comose ha dicho, es <strong>la</strong> emergencia <strong>de</strong> <strong>la</strong> complejidad encuanto tal. La aparición <strong>de</strong> nuevas propieda<strong>de</strong>s, como<strong>la</strong> superconductividad (31), los efectos Hall cuánticos(32), los fenómenos críticos (33), <strong>la</strong> aparición <strong>de</strong>l caos<strong>de</strong>terminístico, etc. es algo bien estudiado, pero aún nose conocen <strong>la</strong>s condiciones específicas que <strong>de</strong>senca<strong>de</strong>nandicha emergencia, por lo que esta área es una <strong>de</strong><strong>la</strong>s áreas calientes en <strong>la</strong> investigación teórica y experimental<strong>de</strong> <strong>la</strong> ciencia actual.VII.CONSIDERACIONES FINALESEn esta comunicación se ha pretendido dar unavisión a vuelo <strong>de</strong> pájaro <strong>de</strong>l extensísimo campo <strong>de</strong>estudio al que se enfrenta <strong>la</strong> Ciencia atómicomolecu<strong>la</strong>ry óptica, en el marco <strong>de</strong> <strong>la</strong> materia ordinaria(estructuras molecu<strong>la</strong>res ais<strong>la</strong>das, materia dura ymateria b<strong>la</strong>nda), el espacio (tamaños progresivamentemás pequeños) y el tiempo (procesos más veloces cadavez). La <strong>de</strong>scripción <strong>de</strong> los avances en algunos campos
Jesús Santamaría Antonio Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2008; 102 77merecería, como se ha indicado, un tratamiento diferenciado,en particu<strong>la</strong>r, el estudio <strong>de</strong> <strong>la</strong> dinámica <strong>de</strong> losátomos en <strong>la</strong>s molécu<strong>la</strong>s (20) y <strong>de</strong> los electrones enátomos y molécu<strong>la</strong>s (Attofísica), los estudios temporales<strong>de</strong> <strong>la</strong>s estructuras <strong>de</strong> sólidos y superficies pornuevas técnicas <strong>de</strong> rayos X (láser <strong>de</strong> electrones libres,etc.) y difracción electrónica, así como los avancessobre estructura y dinámica <strong>de</strong> molécu<strong>la</strong>s individualescon aplicación en Biología.El mundo tecnológico en el que vivimos casi nadatiene que ver con el <strong>de</strong> hace medio siglo, y son precisamentelos avances logrados en <strong>la</strong> exploración <strong>de</strong> loslímites <strong>de</strong>l mundo natural los que han propiciado ypropiciarán <strong>la</strong> consolidación <strong>de</strong> <strong>la</strong> vida humana parauna pob<strong>la</strong>ción creciente, al tiempo que <strong>de</strong>berán solucionarlos problemas que esa consolidación acarree.BIBLIOGRAFÍA1. Nacional Research Council of NAS: Controlling thequantum world: The science of atoms, molecules andphotons. (Ed. National Aca<strong>de</strong>my of Science,Washington, 2006).2. National Research Council of NAS: Con<strong>de</strong>nsed matterand material Physics: The science of the worldaround us. (Ed. National Aca<strong>de</strong>my of Science,Washington, 2006).3. National Research Council of NAS: VisualizingChemistry: The progress and promise of advancedchemical imaging. (Ed. National Aca<strong>de</strong>my ofScience, Washington, 2006).4. W. E. Lamb y R. C. Retherford, Phys. Rev. 72, 241(1947).5. H. B. G. Casimir, Konink. Ned. Akad. Wetenschap.Proc. 51,793 (1948). S. K. Lamoreaux, Phys. Rev.Lett. 78, 5 (1981).6. D. Klepner, Phys. Rev. Lett. 47, 233 (1981).7. E. N. Lorentz, J. Atmos. Sci. 20, 130 (1963).8. Y. Aharonov y D. Bohm, Phys. Rev. 115, 485 (1959).9. A. Aviram y M. Ratner, Chem. Phys. Lett.29, 277(1974). A. Aviram y M. Ratner, IBM Research ReportRC5419 (1975).10. R. Landauer, IBM J. Res. Dev.1,223 (1957); M.Büttiker, R. Landauer y otros.,Phys. Rev. B316207(1985).11. P. Langevin: Sur <strong>la</strong> theorie <strong>de</strong> mouvement brownien,en C. R. Acad. Sci. (Paris) 146, 530 (1908).12. A. Einstein: Investigations on the theory of brownianmotion (traducción en Dover Pub., N.Y. (1956).13. J. Perrin, Mouvement brownien et realité molecu<strong>la</strong>ire,en Annales <strong>de</strong> Chimie et <strong>de</strong> Physique 18, 1(1909); J. Perrin, Les atomes (Ed. Alcan Paris, 1913).14. R. Zsigmondi, Properties of colloids (Nobel lecture,1926)15. F. Zernike, How I discovered phase contrast (Nobellecture, 1953).16. E. Ruska, The <strong>de</strong>velopment of the electron microscopeand electron microscopy. (Nobel lecture, 1986).17. G. Binning y H. Rohrer, Scanning tunnelling microscopy:From birth to adolescence. (Nobel lecture,1986).18. U. Dürig, D. N. Pohl y H. Rohrer, J. Appl. Phys. 59,3318 81986); E. Betzig y otros.,Biophys. J. 49,269(1986).19. G. S. Kino y T. R. Corle: Confocal scanning opticalmicroscopy, en Phys. Today 42, 55 (1989). R. H.Web: Confocal optical microscopyen Rep. Prog.Phys. 59, 427 (1996).20. J. Santamaría, Rev. R. Acad. Cienc. Exact. Fis. Nat. (Esp.) 101, 329 (2007).21. A. H. Zewail, Femtochemistry: Atomic scale dynamicsof the chemical bond en J. Phys. Chem. A 104,5660 (2000).22. A. H. Zewail, Ann. Rev. Phys. Chem.57, 65 (2006) J.R. Dwyer, R. J. D. Miller y otros, J. Mod. Optics, 54,905 (2007).23. A. Rouse, C. Rischel y J. C. Gauthier, Rev. Mod.Phys.73, 17 (2001). K. H. Gaffney y H. N. Chapman,Science 316, 1444 (2007).24. P. B. Corkum y F. Krausz, Attosecond science enNature Physics 3, 381 (2007); M. F. Kling y M.J.J.Vrakking, Attosecond electron dynamics en Ann.Rev. Phys. Chem. 59,463 (2008).25. J. Itatani y otros, Tomographic imaging of molecu<strong>la</strong>rorbitals en Nature 432,867 (2004); T. Remetter, P.Johnson, J. Mauritsson y otros, Attosecond electronwave packet interferometry en Nature Physics 2, 326(2006).26. S. Lloyd, Complex systems: A review, en MITWorking Paper Series ESD-WP-2003-01.16-ESDInternational Symposium (2002).27. E. Akkermans y G. Montambaux, MesoscopicPhysics of electrons and Photons (Cambridge U. P.,Cambridge 2006).28. E. Drexler, Engines of creation: The coming era ofnanotechnology (1986); A. Hernando, Rev. R. Acad.Cienc. Exact. Fis. Nat. (Esp.) 101, 321 (2007);Artículo en Wikipedia: Nanotechnology (2008).29. P. Grümber y otros, Phys. Rev. B39, 4829 (1989); A.Fert y otros, Phys. Rev. Lett., 61, 2472 (1988).30. E. Cornell, C. Wienan y otros, Phys. Rev. Lett. 77,420 (1996); W. Ketterle, Phys. Rev. Lett. 76, 3969(1995).
78Jesús Santamaría AntonioRev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2008; 10231. J. G. Bednoz y K. A. Mueller, Z. Phys. B64, 189(1986).32. E. Hall, Am. J. Mathematics, 2 (1879); K. v. Klitzing,G. Dorda y M. Pepper, Phys. Rev. Lett. 45,494(1980); D. Tsui, H. Störmer y A. C. Gossard, Phys.Rev. Lett 48, 1559 (1982); R. B. Laughlin, Phys. Rev.Lett. 50, 1395 (1983).33. C. Domb y M. S. Green,Phase transition and criticalphenomena (Aca<strong>de</strong>mic Press, London 1976); K. G.Wilson, Renormalization group and critical phenomena,en Phys. Rev. B 4, 3174 (1971), y en Rev. Mod.Phys.55, 583 (1983).