Conociendo los Nobel 2023

Los Nobel son un premio internacional que es entregado por la Fundación Nobel con sede en Estocolmo y está basada en la fortuna de Alfred Nobel, quien fuera inventor y emprendedor sueco. A continuación, tres profesores de la Facultad de Ciencias de la PUCV, nos ayudarán a entender los galardones en Química, Física y Biología.

Experimentos con pulsos de luz se llevan el galardón de física este año

Como cada año, la Real Academia Sueca de Ciencias, concedió los Premios Nobel 2023, este año, el galardón en el ámbito de la física se entregó a tres investigadores, Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L´Huillier, por su trabajo métodos experimentales que generan pulsos de luz de attosegundos para el estudio de la dinámica de los electrones en la materia. Para ahondar en este aspecto, consultamos a la Dra. Viviana Claveria del Instituto de Física de la PUCV.

¿En qué consiste el Nobel de Física de este año?

El premio se entregó a los tres investigadores por "métodos experimentales que generan pulsos de luz de attosegundos para el estudio de la dinámica de los electrones en la materia". Aquí, primero debemos explicar que un attosegundo es una escala de tiempo extremadamente pequeña del orden de mil millonésimas de mil millonésimas de segundo, lo que significa que los pulsos de luz generados a partir de los métodos experimentales desarrollados por los tres galardonados, son pulsos de luz ultrarrápidos donde se obtiene una resolución temporal, que no existía con anterioridad. Esto permite capturar imágenes y estudiar la dinámica de electrones en los átomos de un material que tienen movimientos ultra rápidos con velocidades en el rango de uno a unos pocos cientos de attosegundos, los que con técnicas experimentales anteriores eran imposibles de detectar. De hecho, hasta el desarrollo de las técnicas experimentales de L’Huillier, Agostini y Krausz era sólo posible observar procesos atómicos, los que tienen un período de duración del orden de los femtosegundos (mil veces un attosegundo), pero nada bajo esa escala temporal. El movimiento de electrones que se mueven dentro de los átomos, eran hasta este momento soluciones teóricas e imágenes borrosas por la falta de resolución temporal de las técnicas experimentales a disposición.

Es importante destacar que Anne L'Huillier fue una de las primeras investigadoras en reconocer en 1987 el potencial de utilizar pulsos de luz ultravioleta extrema generados a partir de un proceso no-lineal llamado generación de armónicos altos, o HHG por sus siglas en inglés, los que producen pulsos cortos de luz a escala de attosegundos. Luego, Pierre Agostini, lideró en el año 2001 la creación de una técnica denominada "tren de pulsos" basada en las investigaciones de L'Huillier, lo que permitió en esos años la generación de una serie de pulsos láser consecutivos de 250 attosegundos. Ese mismo año, Krausz y su equipo de investigación lograron producir y aislar un solo pulso de luz, a diferencia del tren de pulsos generada por Agostini, que tuvo una duración de 650 attosegundos. L'Huillier no sólo fue una de las primeras personas que sentó las bases de la generación de pulsos de luz ultrarrápidos, sino que ayer se convirtió en la quinta mujer en recibir el Premio Nobel de Física, un hito tremendamente significativo en la historia de la ciencia. Hoy día se ha llegado a pulsos cortos con tamaños de aproximadamente 50 attosegundos. 

¿Para qué se podría utilizar estos haces de luz tan cortos?

Los pulsos de luz de attosegundos se pueden utilizar para estudiar fenómenos físicos ultrarrápidos, observándolos en movimiento ultra lento (slow motion) a tiempo real, como el desplazamiento de electrones dentro de átomos, moléculas, distintos materiales o que están moviéndose dentro de una reacción química. También se podrían ocupar para manipular estos electrones. 

¿En qué ámbitos se podrían utilizar?

Partiendo con el ámbito más básico y fundamental de todos, el uso de pulsos de attosegundos para estudiar fenómenos físicos dentro de la materia, podemos mencionar que esta el uso de pulsos de attosegundos para estudiar fenómenos físicos dentro de la materia. Ya sea en un ámbito más concreto, como la conmutación ultra rápida que se logra manipulando un electrón en un material o en flujo, podría llevar al desarrollo de electrónica ultrarrápida en el futuro.

También tiene aplicaciones en el área de la medicina. Nos podemos imaginar, por ejemplo, la exposición de una muestra de sangre (plasma o serum) a un pulso de luz de attosegundos, de donde se podría obtener un “perfil molecular” por paciente y revelar si esta persona presenta un perfil patológico o sano, probablemente con ayuda de técnicas de inteligencia artificial. Esta última aplicación es excitante, porque puede reemplazar un montón de técnicas existentes que o son engorrosas, invasivas o poco precisas, como es el caso de la detección de distintos tipos de cáncer. Dependiendo de cuán precisa sea la detección e identificación de este perfil molecular, podría incluso ayudar a detectar cáncer de manera temprana y por lo tanto comenzar con tratamientos que ayuden a eliminar esta enfermedad en las primeras etapas de su desarrollo. Por último, se podría combinar el potencial de resolución temporal de los pulsos de luz de attosegundos con procesamiento de información cuántica, lo que podría tener aplicaciones directas en el desarrollo de la computación cuántica.

El desarrollo de nuevas vacunas para la humanidad

Este año el premio Nobel de Fisiología y Medicina 2023 se le entregó a Katalin Karikó y Drew Weissman, por su trabajo que permitió el desarrollo de vacunas con un modelo de ARN mensajero, en base a modificaciones en bases de nucleósidos, lo que significó un avance el mundo de la salud.

Las vacunas tradicionales son en base a virus inactivados o atenuados y requieren un largo tiempo de desarrollo; por lo bajo entre 12 a 18 meses, según lo explicado por la Académica del Instituto de Biología de la PUCV, Dra. Vitalia Henríquez, quien además agrega: “este tiempo incluye el testeo en animales durante una fase exploratoria y al menos tres diferentes estudios clínicos para determinar su eficacia y seguridad”. Sin embargo, la situación mundial por la emergencia sanitaria requería del desarrollo de una vacuna más rápida y se transformó en el momento idóneo para la prueba de nuevas tecnologías.

Para la académica de la PUCV, la gran ventaja de las vacunas basadas en ARN mensajero, es que pueden ser producidas en semanas o incluso días, aunque, como desventaja, es que estas vacunas y otras terapias basadas en ácidos nucleicos es que: “la molécula de ARN puede ser rápidamente degradada o retenida en endosomas antes de llegar a su destino. Descubrimientos como los hechos en los estudios de Karikó y Weissman, incluyen modificaciones sutiles pero que ayudan a la estabilidad del ARN, y, por ende, al desarrollo de vacunas basadas en ARN”. 

El desarrollo de este trabajo permitió dar una rápida e importante respuesta contra el Covid-19, y que se transformó en una de las mayores amenazas que ha vivido la humanidad en los tiempos modernos, sobre su funcionamiento la Dra. Henríquez comentó que las Las vacunas basadas en ARN mensajero dan a las células las instrucciones necesarias para expresar y producir las proteínas inmunogénicas de interés vía traducción citoplasmática.

La Síntesis de puntos cuánticos se llevan los Nobel de Química

Este año, tres investigadores radicados en Estados Unidos, fueron los galardonados con el Premio Nobel en Química. Moungi Bawendi del Massachusetts Institute of Technology (MIT); Louis Brus, de la Universidad de Columbia; y Alexei Ekimov quien trabaja en Nanocrystals Technology, fueron premiados por el descubrimiento y la síntesis de puntos cuánticos, importantes para el desarrollo de la nanotecnología.

Según lo explicado por el profesor del Instituto de Química de la PUCV, Dr. Eduardo Muñoz, los puntos cuánticos son partículas tan pequeñas que sus propiedades están determinadas por fenómenos cuánticos y, por consiguiente, no se comportan como la materia que conocemos a grandes escalas. Señalando también que: “Estos son nanocristales semiconductores que suelen oscilar entre 2 y 10 nanómetros de diámetro (10-50 átomos). Una propiedad muy curiosa de estos puntos es que, al ser iluminados, son capaces de emitir luz en una frecuencia de salida muy específica que dependerá del tamaño del punto, es decir: a menor tamaño del punto, mayor frecuencia de salida y, por lo tanto, más notables las propiedades cuánticas que muestre”.

Estos avances científicos son podrían ser utilizados en el mundo de la tecnología y mejorar elementos que utilizamos cotidianamente, al respecto, el Dr. Muñoz comentó que: “estas nanopartículas se utilizan en luces LED, pantallas de televisión, sensores, láseres, celdas solares y pueden servir en medicina para mejorar las imágenes de resonancia magnética, guiar a los cirujanos en la extirpación de un tejido tumoral, como quimiosensor para monitoreo dinámico de cambios internos de pH y niveles de glucosa en tumores cancerígenos”.

Estos nanocristales tienen también propiedades bastante inusuales como es el hecho de que tienen distintos colores dependiendo de su tamaño. Por otra parte, los tres investigadores premiados coinciden que, a futuro, los puntos cuánticos serán una contribución a la electrónica flexible, a la comunicación cuántica cifrada, al tratamiento y detección insitu de tumores y enfermedades de tejidos.

Fuente Facultad de Ciencias