Abismos de luz

La síntesis de moléculas que absorben fotones facilitará la producción de películas y dispositivos ópticos

Imagem: eduardo cesar Compuestos mesoiónicos (polvo rojo): control del paso de la luzImagem: eduardo cesar

Ver el mundo en colores es algo tan natural que difícilmente nos preguntaríamos cómo hace el cerebro para distinguir el azul, el verde o el rojo, los colores primarios que componen todos los otros. La percepción de la luz se produce merced a una sustancia presente en la retina de los ojos, el retinal. Al absorber luz, el retinal sufre una especie de deformación y entonces es enviado un mensaje al cerebro a través de los nervios ópticos. Un fenómeno parecido sucede con los compuestos mesoiónicos, un grupo de sustancias orgánicas fabricadas de punta a punta – desde el proyecto en computadora hasta la síntesis – por un grupo de químicos y físicos de las Universidades Federal de Pernambuco (UFPE) y de Paraíba (UFPB).

Cuando estos compuestos absorben la luz, pasan por un reordenamiento de las cargas eléctricas, que hacen que cambien sus propiedades ópticas. Los investigadores descubrieron que los compuestos mesoiónicos son capaces de absorber dos fotones – partículas de luz – de una sola vez y mucho más rápidamente que otras sustancias dotadas de la misma propiedad. De ese modo, abrieron el camino para el desarrollo de aplicaciones para un material más adecuado que los vidrios o los polímeros normalmente empleados en los dispositivos ópticos, tales como las películas y gafas de protección contra el rayo láser.

“Los resultados experimentales comprobaron las previsiones teóricas y contamos ahora con compuestos capaces de absorber dos fotones de manera comparable a lo mejor que ya ha sido descrito por otros grupos”, celebra Alfredo Mayall Simas, del Departamento de Química Fundamental de UFPE, que decidió hace ocho años proyectar compuestos mesoiónicos, un tipo de compuestos sintetizados por primera vez en 1935 en Australia. En la computadora, el químico realizó el cálculo de 10.584 moléculas – formadas por átomos de carbono, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y azufre – y seleccionó las estructuras más prometedoras. Luego el equipo de Joseph Miller, de la UFPB, sintetizó alrededor de 40, resultando en un polvillo rojo, del color de los ladrillos. Doce moléculas ya han sido sometidas a experimentos de óptica no lineal, la parte de la física que estudia los fenómenos ópticos que dependen de la intensidad de la luz.

Antes, los compuestos orgánicos más usados en el área eran los poliénicos, formados por átomos de carbono conectados entre sí, alternando conexiones simples y dobles con átomos de hidrógeno. Los compuestos poliénicos están formados por cadenas largas, mientras que los mesoiónicos son cíclicos (cerrados), en forma de anillo. Simas y Miller resolvieron apostar a los mesoiónicos a causa de una de las propiedades de dichas moléculas: tienen una densidad electrónica distorsionada, con un lado positivo y otro negativo. “Esta característica hace que esas sustancias tengan naturalmente un estado fundamental del tipo push-pull, en el cual un grupo de átomos empuja y otro sujeta a los electrones, muy importante para los efectos de óptica no lineal”, afirma Simas.

Asimismo, los mesoiónicos absorben luz en longitudes de onda menores que los poliénicos. “Son más transparentes”, explica el químico de la UFPE. El físico Cid Araújo, del Departamento de Física de la UFPE, que analiza el comportamiento óptico de las moléculas, completa: “Por presentar mayores no linealidades ópticas, los compuestos mesoiónicos podrán también usarse en dispositivos basados en láseres de menores potencias”.Comparado con el retinal, los compuestos mesoiónicos presentan una respuesta más rápida. El retinal está presente en los conos, las células de la retina que detectan la luz.

Existen tres tipos de conos: uno es sensible al rojo, el otro al verde y el tercero al azul. Cuando observamos una yema de huevo, los conos sensibles al rojo y al verde (colores que componen el amarillo) envían señales al cerebro. La detección de la luz por parte de los conos que resulta en la percepción de los colores es una especie de llave, comparable con los interruptores de corriente utilizados para encender una lámpara. El cerebro percebe los colores como una mezcla de los colores primarios, y la señal decodificada por éste es un reflejo de las diferentes sensibilidades de los conos. El compuesto mesoiónico puede usarse como una llave óptica, el equivalente a un interruptor que abre y cierra, solo que para permitir el paso de la luz.

Ésa es una de las principales aplicaciones vislumbradas para los compuestos mesoiónicos. El grupo pretende desarrollar películas de dimensiones micrométricas (un micrón equivale a una millonésima parte de un metro), llamadas películas finas, que podrían usarse no solamente en llaves ópticas, sino también en otros dispositivos para comunicaciones ópticas y procesamiento de señales.

El sistema de cierre óptico, en el cual se utiliza un haz de luz para enviar mensajes codificados, puede compararse con aquél utilizado antiguamente por los indios americanos, que se valían de una hoguera y un paño: el mensaje dependía del número de bocanadas de humo que se producía. El humo sería la luz que se deja pasar – por lo tanto, una luz modulada, transmitida en impulsos. Otra aplicación son los anteojos de protección contra láser, en los cuales las películas – a decir verdad, un detector de luz muy sensible – actúan como limitadores ópticos. Las gafas, revestidas con ese film, se tornarían oscuras de repente, cuando fueran expuestas al láser, evitando accidentes en los ojos.

La absorción simultánea de dos fotones también es usada en el nanoprocesamiento – el manipuleo de dispositivos nanométricos (un nanómetro equivale a una mil millonésima parte de un metro) – de resinas poliméricas. Si la luz penetra uniformemente, toda la resina, que es líquida, se va a endurecer. De lo contrario, focalizando la luz sobre un solo punto, en el cual se dará la absorción de dos fotones, tan solo ese punto será polimerizado. En mayo, los investigadores de la Universidad de Osaka, Japón, anunciaron un proceso experimental de endurecimiento de resina con aplicaciones biomédicas que se vale precisamente de la técnica de absorción de dos fotones.

“Los mejores compuestos aún están por llegar”, asegura Simas. En 1996, Simas, junto con su alumno Gustavo Moura y Miller, publicaron un artículo en la revista holandesa Chemical Physics Letters, revelando el potencial de los mesoiónicos para aplicaciones en óptica no linear. Pero, si ya existen dispositivos inorgánicos, más resistentes y con idénticas funciones, ¿para qué pensar en los orgánicos? “Aunque tienen un tiempo de vida menor, los mesoiónicos reúnen ventajas que compensan el hecho de ser orgánicos”, explica Araújo. “Una de éstas consiste en que son más fáciles de ser perfeccionados que los vidrios o cristales normalmente empleados en los dispositivos ópticos.”

El estudio de los mesoiónicos se inició en 1935, cuando los químicos australianos Alan Mackney y John Campbel Earl (1890-1978) sintetizaron el primer compuesto de este tipo, bautizado como sidnona, en homenaje a la ciudad de Sidney. En ese época, ellos sustentaron que se trataba de una estructura bicíclica, con dos cadenas cerradas de átomos. Quince años más tarde, los investigadores británicos David Ollis (1925-1999) y Wilson Baker estudiaron nuevamente la estructura de los mesoiónicos, y propusieron que se trataba de compuestos aromáticos, y no bicíclicos.

Al contrario que lo que su nombre sugiere, en química, aromáticos no son necesariamente aquéllos compuestos con olor. “La aromaticidad es una propiedad asociada a la estabilidad termodinámica, mucho más fuerte que la esperada, de ciertas moléculas orgánicas”, recuerda Simas. El término surgió a partir de una experiencia realizada en 1825, cuando el científico británico Michael Faraday (1791-1867) descubrió el benceno, al pirolizar (una especie de quema) aceite de ballena. La fragancia típica del benceno y sus derivados llevó a que dichos compuestos fueran rotulados como aromáticos. Hoy en día, tal clasificación tiene un significado químico relacionado con su estructura, es decir, ya no es más vinculada al aroma.