La absorción molecular de la luz posee aplicaciones en microscopía, medicina y almacenamiento de datos

Se trata de un método alternativo propuesto por un físico brasileño que acorta de varios días a algunas horas el tiempo de simulación computacional del espectro de absorción

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El conocimiento de la energía de la luz que absorben las moléculas hace posible entender su estructura, sus estados cuánticos, su interacción con otras moléculas y sus posibles aplicaciones tecnológicas. Las moléculas con altas probabilidades de absorber simultáneamente dos fotones de luz de baja energía poseen una amplia gama de aplicaciones: en sondas moleculares en microscopía de alta resolución, como sustrato para el almacenamiento de datos en estructuras tridimensionales densas o como vectores en tratamientos medicinales.

Pero el estudio de este fenómeno por medios experimentales directos plantea dificultades. Por eso las simulaciones computacionales se llevan a cabo en carácter de complemento a la caracterización espectroscópica. Asimismo, las mismas permiten arribar a una perspectiva microscópica de difícil acceso en los experimentos. El problema reside en que las simulaciones referentes a las moléculas relativamente grandes requieren varios días de procesamiento en supercomputadoras, o meses de procesamiento en ordenadores convencionales.

Para sortear esta dificultad, el físico Tárcius Nascimento Ramos y sus colaboradores propusieron un método alternativo de cálculo en un artículo publicado en The Journal of Chemical Physics.

Nascimento Ramos culminó su doctorado en el año 2020 en el Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP), en Brasil, con beca de la FAPESP, y actualmente se desempeña como investigador del Fonds de la Recherche Scientifique (F.R.S.-FNRS) en la Université de Namur, en Bélgica.

“Analizamos el rendimiento de un método semiempírico que se utilizó mucho durante las décadas pasadas, pero que, debido a su carácter aproximativo, fue dejado de lado por parte de la comunidad científica. Con él logramos disminuir el tiempo de cálculo a cuatro horas en una computadora convencional. El bajo costo computacional nos permitió considerar una amplia muestra estadística para realizar simulaciones de moléculas en soluciones, algo inviable mediante el método actualmente hegemónico”, le dice Ramos a Agência FAPESP.

El método hegemónico en la actualidad al que el investigador hace alusión es la Teoría del Funcional de la Densidad (TFD, o DFT, por la expresión en inglés Density Functional Theory). Se trata de una herramienta teórica de amplia utilización en la mecánica cuántica que permite describir las propiedades electrónicas de sistemas complejos a través de la densidad electrónica del sistema, sin que sea necesario recurrir a las funciones de onda individuales de cada electrón.

“El método alternativo que aplicamos fue el INDO-S [las siglas en inglés de negligencia intermedia de la superposición diferencial con parametrización espectroscópica]. El mismo se basa en la función de onda del sistema molecular, pero la resuelve de manera aproximada. Partes de los complejos y costosos cálculos computacionales se reemplazan por valores tabulados que se obtienen mediante ajustes con datos espectroscópicos experimentales. Esto vuelve a este método altamente eficiente para el estudio teórico de grandes compuestos moleculares”, afirma Nascimento Ramos.

Para evaluar la practicidad de utilizar un método como este, se hace necesario tener en cuenta que las moléculas estudiadas, derivada del estilbeno, poseen más de 200 átomos de carbono, oxígeno e hidrógeno. Aparte de la cantidad de componentes, que de por sí haría que las simulaciones convencionales se volvieran extremadamente trabajosas y caras, estas grandes moléculas plantean una complicación extra: son flexibles, y sus cambios conformacionales (las torsiones, por ejemplo) modifican sus propiedades electrónicas.

“Al final del estudio, rellenamos una laguna experimental, al caracterizar a nivel microscópico el espectro de absorción de uno y dos fotones para este tipo de moléculas. Y verificamos que el método semiempírico que pusimos a prueba, a menudo dejado de lado debido a su carácter aproximativo, es la forma más recomendable de prever los espectros de absorción de un fotón y dos fotones por grandes moléculas en solución. Esto abre espacio para que los ingenieros moleculares desarrollen nuevos compuestos con mayor eficiencia en sus diversas ramas de aplicaciones”, comenta Nascimento Ramos.

En este punto se hace necesario tener en cuenta las diferencias existentes entre la absorción de un fotón y la absorción de dos fotones. El principio general indica que las moléculas absorben fotones únicamente cuando pueden asumir estados excitados compatibles con las energías de los fotones. Pero las reglas de selección para la absorción de un fotón o de dos fotones no son las mismas. Por ello, los estados excitados prohibidos para la absorción de un fotón pueden ser permitidos para la absorción de dos fotones. Estas características diferenciadas –sumadas a la alta resolución espacial de la excitación por dos fotones, resultante de su naturaleza óptica no lineal– hacen que las moléculas capaces de absorber dos fotones puedan tener utilizaciones mucho más refinadas.

“En el caso de la microscopía, las imágenes presentan una resolución mucho mayor que permite caracterizar tejidos profundos con un menor daño de las estructuras aledañas. En el caso del almacenamiento de datos, la alta resolución permite que se creen estructuras tridimensionales con gran precisión y minuciosidad con miras a codificar puntos en el interior de los materiales con alta densidad de datos por volumen”, informa el investigador.

El modelado computacional del fenómeno de absorción de dos fotones por moléculas orgánicas en solución fue el principal tema de Nascimento Ramos durante su investigación doctoral. El presente artículo constituye un paso al frente en esos estudios. Aparte de la beca de doctorado que le otorgó al científico, la investigación contó con el apoyo de la FAPESP en el marco de otros dos proyectos (14/50983-3 y 15/20032-0). Colaboraron Sylvio Canuto (IF-USP), Daniel Luiz da Silva (Universidad Federal de São Carlos, Brasil) y Leandro Franco (Karlstad University, Suecia).

Puede leerse el artículo intitulado Calculation of the one- and two-photon absorption spectra of water-soluble stilbene derivatives using a multiscale QM/MM approach en el siguiente enlace: pubs.aip.org/aip/jcp/article-abstract/159/2/024309/2902110/Calculation-of-the-one-and-two-photon-absorption?redirectedFrom=fulltext.