Charlando con el profesor Marcus

Entrevista con el premio Nobel de Química Rudolph Marcus

Por

Juan Fco. Buenestado Castro

El profesor Rudolph A. Marcus, ganador del premio Nobel de Química en 1992, ha estado de visita en Granada invitado por el Dr. F. Javier Martín Torres, director del Grupo de Ciencias Planetarias y Habitabilidad (grupo adscrito al Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra con sede en esta ciudad) durante los primeros días de septiembre en los que, además de participar en diversos actos protocolarios programados por la Universidad de Granada y trabajar con su anfitrión en el establecimiento de una línea de investigación conjunta, nos ha concedido una entrevista, la última de una serie de ellas que ha mantenido con diversos medios de comunicación a lo largo de su estancia.

Ésta se produce en el IACT, en un ambiente más distendido que las anteriores, en las que imperaba inevitablemente cierta rigidez formal. Quizá sufriendo todavía cierta incomodidad residual ante un nuevo cuestionario por más relajada que fuera la situación, opta por marcar el tono informal de la charla e inicia el encuentro recordando una anécdota que vivió en la universidad. Cuenta que un alumno reclamó a uno de sus colegas por la nota de un examen en el que había obtenido la calificación de aprobado, alegando que ya había hecho un examen de preguntas muy similares con otro profesor y en aquella ocasión había conseguido un sobresaliente. Su colega le replicó al alumno que, dado lo ingrato del trabajo docente y la especial dificultad que le suponía tener que estar elaborando constantemente nuevas preguntas, había decidido que era más cómodo cambiar las respuestas. Se muestra así como el hombre encantador y afable que es, propenso al acercamiento a través de la buena conversación. Nos habla de sus vivencias, de su familia, de sus pasiones (que se circunscriben al mundo de la ciencia fundamentalmente aunque incluyen el esquí), haciéndonos disfrutar de su compañía en todo momento, y se interesa por las nuestras con sincero interés; por detalles de nuestras circunstancias, de nuestros gustos, de la vida en nuestro país (sobre el que parece haberse informado expresa y previamente). Su voz, profunda e hipnótica, no acusa el más mínimo deterioro tras los 91 años que ya lleva en uso, como tampoco se notan en su amabilidad, su curiosidad, ni su entusiasmo científico. Nos queda de todas formas la duda de si habrá decidido aplicar la técnica de su colega en esta ocasión y su relato haya sido una advertencia.

El logro que le valió la concesión del premio fue “su contribución a la teoría de la transferencia electrónica en los sistemas químicos”, un tema que puede parecer indescifrablemente arcano, pero que trata sobre un fenómeno fundamental en innumerables interacciones químicas. Nos explica que en una reacción de transferencia electrónica típica, los reactivos que intervienen son idénticos a los productos resultantes (a salvo de sutiles diferencias estructurales que suponen un cambio en su estado termodinámico), y se produce sin que se rompan enlaces ni se forme ninguno nuevo, lo que la convierte en la más simple de las reacciones químicas posibles, que está en la base de una gran cantidad de procesos naturales, y cuya comprensión abrió todo un nuevo campo de estudio dentro de la química y planteó una profunda reformulación de otros muchos ya existentes.

Nuestra primera pregunta es precisamente sobre la trascendencia de su teoría en el ámbito de la química globalmente considerado.

Nos contesta que efectivamente su importancia es primordial, porque “aunque hay otros tipos de reacción, la transferencia electrónica es la más común en la naturaleza” y está en la base de los procesos químicos a partir de los cuales se producen muchas de esas otras reacciones y procesos. Esta condición elemental del fenómeno ha hecho que infinidad de problemas que atañen a muy diferentes áreas de la química estén siendo sometidos a revisión en relación con la transferencia electrónica, y que se hayan abierto innumerables vías de estudio nuevas.

Esta respuesta sugiere que su teoría pudiera suponer lo que Thomas Khun definió como paradigma en su libro La estructura de las revoluciones científicas, en el que define el concepto como aquellas teorías que definen qué se debe investigar, que determinan el tipo de cuestiones que hay que plantear, y que delimitan el marco de interpretación de los resultados científicos a partir de su formulación.

Preguntado sobre este particular, el profesor Marcus considera que su modelo sí se puede considerar como un nuevo paradigma, aunque matiza su respuesta con un prudente “en cierto sentido”, porque ciertamente impone una nueva forma de afrontar las investigaciones teóricas en la gran mayoría de las áreas que abarca la Química. “Sí”, repite para concluir, “en cierto sentido, se puede decir que la teoría de la transferencia electrónica supone un nuevo paradigma en química”.

El profesor Marcus suele contar que su encuentro con el tema de la transferencia electrónica se produjo en buena medida gracias a la confluencia de una serie de circunstancias casuales. Inclinado desde sus inicios en el trabajo de investigación al tratamiento teórico de los problemas (cuando, recuerda, no había en Canadá, su país de origen y de formación, ni un solo químico teórico con el que trabajar), había logrado ya culminar la formulación de la teoría RRK (de Oscar Knefle Rice, Herman Carl Ramsperger, y L.S. Kassel) que desde entonces se conoce como teoría RRKM con la adición de la inicial de su apellido, y que modela la dinámica de reacciones unimoleculares en fase gaseosa. Pero no había circunstancialmente muchos datos experimentales sobre los que seguir trabajando en el desarrollo de esta línea de estudio y estaba buscando, con actitud abierta y receptiva, algún otro asunto sobre el que investigar desde un punto de vista siempre teórico. En esta tesitura, uno de sus estudiantes le planteó algunas cuestiones sobre un asunto relacionado con polielectrolitos que despertó su interés, y para cuyo estudio se vio obligado a ampliar sus conocimientos de electrostática, en particular sobre los métodos de cálculo de la energía libre en este tipo de sistemas. Cuando poco después se topó (otro “accidente” como lo califica el profesor Marcus) con la cuestión de la transferencia electrónica a través de algunos artículos, el bagaje acumulado le permitió identificar comprensivamente los problemas que se planteaban en este campo, entre los que destacaba la explicación de la variación de velocidades de reacción de transferencia entre distintos tipos de iones observadas experimentalmente, y por supuesto afrontar su resolución. Así, se encontró “accidentalmente” ante un problema, dotado “accidentalmente” con las herramientas para superarlo, lo que consiguió con una brillantez solo al alcance de una mente privilegiada. Hay que señalar, para compensar la modestia con la que el profesor Marcus lo relata, que el problema no era nuevo y ya había sido tratado por notables científicos sin éxito y que, al margen de la favorable secuencia de circunstancias, él supo aplicar sus conocimientos para definir la solución, lo que según sus declaraciones le llevó “un mes de trabajo especialmente intenso” a lo largo del cual el núcleo de su teoría quedó estructurado, siendo desarrollado luego mediante la publicación de una serie de artículos entre 1956 y 1965

A sus 91 años, el profesor Marcus aún siente entusiasmo ante la “excitación de trabajar en cosas nuevas y diferentes que nunca antes se han visto…de aprender”

El carácter fundamental y revolucionario del modelo desarrollado por el profesor Marcus es a estas alturas unánimemente reconocido y ha sido ampliamente utilizado en multitud de áreas de la química en las que la transferencia electrónica tiene una importancia capital. Es el caso de estudios sobre electrodos semiconductores, transferencia electrónica en sólidos y polímeros, dinámica química de soluciones, conversión de energía solar, fotoquímica atmosférica, quimioluminiscencia, fotosíntesis o funcionamiento de proteínas, entre otros muchos que se podrían citar.

Para ejemplificar la relevancia que la transferencia electrónica tiene en alguno de estos asuntos, le preguntamos al profesor Marcus qué papel juega el fenómeno concretamente en los procesos de respiración celular y en la fotosíntesis.

Contesta describiendo como en los sistemas biológicos la transferencia de electrones es un mecanismo básico por el que “los electrones circulan a través de cadenas de transporte para impulsar el paso de carga a través de la membrana, estableciendo un potencial electroquímico que mueve otras reacciones como la formación de ATP…” En definitiva, la transferencia electrónica es, tanto en el caso de la respiración como en el de la fotosíntesis, un proceso fundamental, “una forma de producir un gradiente eléctrico a través de la membrana a partir del cual se impulsa toda una secuencia de eventos”.

Suponiendo que además de estos últimos quedarán muchos otros asuntos, aún dentro del ámbito de la bioquímica, pendientes de reformulación a la luz de la teoría de transferencia electrónica, pedimos al profesor Marcus que nos indique cuales serían.

Tras un silencio reflexivo que se prolonga durante 12 segundos y en el que intercala un halagador “buena pregunta”, comienza su respuesta haciendo un repaso por lo que sí se está haciendo de hecho. Alude a los recientes estudios encaminados a calcular las velocidades de reacción electrónica mediante expresiones desarrolladas a partir de mecánica cuántica. Pero, advierte, “algunas reacciones de transferencia electrónica son más complicadas porque se completan con una transferencia de protones, como ocurre con varias proteínas en las llamadas “transferencias electrónicas acopladas a protón”, o involucran a electrones procedentes de diferentes partes de la proteína. “Así que hay capas de complicación creciente en el estudio de estos fenómenos, y siempre quedan cosas por hacer en estas líneas de investigación”. Menciona también el caso de sistemas bioquímicos en los que hay que tener en cuenta las distancias de transferencia, o aquellos en los que se produce una transferencia simultánea de otras partículas como ejemplos de áreas en las que queda pendiente investigación apoyada en su teoría.

La consecución de este amplio predicamento, sin embargo, no fue ni mucho menos automática e inmediata. Un somero repaso de la cronología muestra como desde la publicación de los artículos en los que la propuso hasta que se reconoció su trascendencia con la concesión a su autor del premio Nobel pasaron varias décadas, durante las que fue objeto de controversia a pesar de que configuraba un modelo con gran capacidad de explicación, una circunstancia que sin duda merece atención y que nadie mejor que su principal protagonista puede aclarar.

El problema, según el profesor Marcus, radicó en un determinado punto de su teoría, porque “mientras algunos aspectos fueron comprobados pronto, había uno, extraordinario e inesperado, cuya comprobación llevó veinticinco años”, probablemente, sugiere, porque cuando se intentaba confirmar experimentalmente, se obtenían efectos contradictorios, y no se entendía que un proceso que debía discurrir “cuesta abajo” (es decir, favorable energéticamente), se viera “forzado a ir lento”, así que la doctrina, nos comenta, encontró una ruta alternativa por la que la reacción se producía como era de esperar eludiendo resultados que se consideraban absurdos. Finalmente, termina, se consiguió diseñar un experimento con el adecuado control que evitaba que ocurrieran procesos no deseados bajo las condiciones elegidas y el problemático aspecto se verificó.

El controvertido punto de la teoría es en concreto una chocante predicción de su modelo, para cuya elaboración se barajó entre otros parámetros la energía libre de Gibbs, que permite establecer si una reacción cualquiera tendrá lugar espontáneamente. Esto ocurrirá siempre que esta energía sea menor en los productos que en los reactivos, es decir, que la reacción sea exergónica, liberándose energía en el proceso y dando lugar a productos que son termodinámicamente más estables que los reactivos. La reacción será más rápida cuanto mayor sea la diferencia entre la energía libre de Gibbs de los reactivos y de los productos finales. Pero la Teoría de Marcus (como también es conocido su modelo) mostraba que la tasa de transferencia electrónica efectivamente aumentaba según la reacción se hace más exergónica pero sólo hasta cierto punto, a partir del cual empezaba a ocurrir lo contrario, en lo que se denominó la Región Invertida de Marcus. Este era el “aspecto” que la doctrina contempló como “absurdo” durante mucho tiempo, hasta que John R. Miller, a la sazón en el Argonne National Laboratory, consiguió verificar el efecto experimentalmente de forma fehaciente.

Un detalle que llama la atención en cuanto se indaga en la vida y obra del profesor Marcus es la insistente mención al trabajo de investigación teórico que se puede encontrar. Como último ejemplo, la conferencia que ofreció en el Salón de Grados de la Facultad de Ciencias de Granada se tituló Ventures in Science, Theory and Experiment, pero ya en la ceremonia de entrega del premio Nobel leyó la ponencia titulada Electron Transfer Reactions in Chemistry: Theory and Experiment, y hemos recordado más arriba como relata sus dificultades para dedicarse a esta vertiente del trabajo investigador en sus comienzos ante la desolación que sufría Canadá en el área de la química teórica. También ha contado en varias ocasiones como ante este panorama decidió, junto con un colega, instituir un “Seminario Semanal de Dos Personas”, en el que alternativamente estudiaban y exponían al otro algún tema de su interés que luego discutían.

Pensando que quizá pueda persistir cierto déficit de trabajo teórico dentro de la Química, le pedimos su opinión al respecto

En cuanto oye la mención a su preocupación por el desarrollo teórico su entusiasmo se desata… “Oh! Sí, hay muchos problemas en los que trabajar…”, pero en cuanto acotamos la pregunta a la posible carencia, en general, de base teórica en la disciplina lo niega, contestando que “siempre hay nuevos estudios, nuevas técnicas, nuevos experimentos, nuevos sistemas” que impulsan constantemente el desarrollo teórico. “Ahora mismo”, continua poniendo un ejemplo, “hay problemas muy excitantes, como tratar de explicar por qué ciertos materiales llamados perovskitas son maravillosos conversores de energía solar en el efecto fotovoltaico, un campo que se ha expandido en unos pocos años, o comprender en términos muy detallados la movilidad electrónica en semiconductores”.

Volvemos al campo de la bioquímica, dentro del cual la transferencia electrónica sea quizá de especial importancia por la cantidad de procesos en los que es relevante. Una de las actuales líneas de investigación que sigue su grupo en el Instituto Tecnológico de California (CalTech) es precisamente la catálisis de reacciones orgánicas en agua. Su entusiasmo se vuelve a disparar cuando oye la referencia.. “sí, es excitante… es divertido” antes de que acabemos de formular la siguiente pregunta sobre la importancia del agua como disolvente.

Nos cuenta a este respecto que “…un famoso químico orgánico que ganó el premio Nobel por estudios totalmente diferentes a la química del agua, experimentó una particular reacción de dos compuestos orgánicos con los que formó una solución que luego perturbó con agua. Sin ella, la reacción se prolongaba 48 horas, pero al ser añadida se producía en 10 minutos”. Intrigado por el fenómeno, pidió una explicación a un equipo de químicos teóricos que trabajaban en las propiedades del agua y que no supieron dársela. “Pero recuerdo otro tipo de experimento”, continúa el profesor Marcus, “que realizó un físico de formación que trabajaba en química en la Universidad de California en Berkeley, en el que encontró que el agua sobre la superficie de un compuesto orgánico no tenía todos sus posibles enlaces de hidrógeno unidos a oxígenos”. Y resultó ser en estos hidrógenos no enlazados en los que radica la explicación de la rapidez de la reacción anterior, concluye.

Ilustra así la importancia del agua y la cantidad de aspectos de su química que aún quedan por estudiar en profundidad, sobre todo en el ámbito de la bioquímica, y muchos de los cuales deben ser planteados con referencia a la transferencia electrónica.

Yendo un paso más allá en el tema, preguntamos a renglón seguido si, dadas sus peculiares características, se atrevería a imaginar algún tipo de vida que no estuviera inmersa en agua.

“Esa es una pregunta muy diferente” nos hace notar, y tras otro prudente silencio reflexivo su contestación es un definitivo “no lo sé”. “Habría que pensar en toda la química porque es un tema grande, muy grande…tendría que pensar en él… probablemente no muchos lo han hecho…uno tendría que pensar en todos los diferentes tipos de procesos químicos… No sé la respuesta… “estaría sorprendido” si tal vida apareciera “pero no sé la respuesta”.

Puede parecer sorprendente este tipo de respuesta en un premio Nobel que lleva más de 70 años trabajando, pero hay que advertir que una de las cosas que parecen apreciar primero aquellos que ascienden a las cimas del conocimiento es la extensión de la ignorancia que queda por conquistar. Además su respuesta no deja de ser esclarecedora, porque nos hace ver la magnitud del asunto propuesto, nos hace reflexionar sobre la ligereza y poco fundamento con el que en muchas ocasiones se plantea la cuestión en ciertos ámbitos científicos, y nos deja avisados para ponderarla más adecuadamente cuando volvamos a encontrarla.

Pasando a temas más mundanos y de general preocupación, le pedimos ahora que nos dé su opinión sobre la investigación en torno al ozono en nuestra atmósfera.

No duda que es “importante reducir el agujero de la capa de ozono” y recuerda que él mismo fue miembro en su momento de un comité en Estados Unidos cuyas predicciones sobre los efectos de los clorofluorocarbonos (CFC’s) en ella y las consecuencias que podría acarrear fueron tomadas en cuenta por el Congreso, que prohibió su uso como propelente para los aerosoles en lo sucesivo.

Las decisiones políticas deberían apoyarse en una valoración de las mejores opciones, y la buena ciencia ofrece una base lógica para plantearlas .

Y, al hilo de esta respuesta, pedimos al profesor Marcus que nos diga si la ciencia debería jugar un papel más importante en la actividad política.

“Creo que debería, pero soy un científico” nos dice, para seguidamente justificar su postura más allá de su condición de interesado. Piensa que las decisiones políticas deben apoyarse en “alguna valoración de las mejores opciones”, y no atender a las presiones de los diferentes grupos que financian o apoyan a los partidos políticos. La ciencia, “si es buena ciencia” ofrece “una base lógica”, unas soluciones “que se pueden comprobar yendo a un laboratorio, muy concretas, no son cosas imaginarias que la gente tiene en su mente” porque simplemente la ha recibido a través de la educación. “Como muchos otros científicos, soy un firme creyente en la importancia de la ciencia para cada país y para el mundo”. “Pero”, añade en tono de lamento, “hay mucha gente que no es científica en sus puntos de vista, y propone alternativas no verificables en las que depositan una confiada creencia…”

En cualquier caso, sea más o menos atendida, coincidimos con el profesor Marcus en que la ciencia debe preocuparse por los problemas más acuciantes del mundo actual, y nos interesamos por saber cuáles son estos a su juicio.

“En primer lugar, está claro que deberíamos hacer algo respecto del dióxido de carbono; esto es completamente claro. Esto significa menos combustibles fósiles y encontrar una forma de contener el CO₂”. “La principal solución es quizá la energía solar”, área en la que su grupo está desarrollando una de sus líneas de investigación, “pero también la energía nuclear si se encuentra una forma de manejar los materiales radioactivos…” (es notable que, como hombre de ciencia no ha asumido el tabú que actualmente supone este recurso energético ni acata la corrección política que impone evitar su mera mención) “Pero creo que simplemente habría que reducir el uso de combustibles o encontrar una manera de evitar la contaminación”. A continuación matiza este planteamiento básico situando el problema en su adecuado entorno geopolítico, que conduce inevitablemente a cierta desesperanza, cuando dice que “las naciones son lo que son”, y tienen sus expectativas y sus propios planes, dando a entender que una solución aunada a nivel internacional es hoy por hoy complicada. Recuerda además que ha trabajado en alguna ocasión en una compañía carbonífera en China en la que “tuvo la impresión de que había preocupación por el problema, y se hacían esfuerzos para buscar soluciones”, aunque reconoce que en definitiva las compañías existen para hacer dinero y que “aunque haya buenas intenciones” no se sabe cómo de lejos pueden llegar en este camino.

Nos interesa también saber cuáles son, dentro de la Química y según sus previsiones, los grandes temas de investigación en los que se avanzará de ahora en adelante.

Nos advierte que no es la primera vez que se enfrenta a esta pregunta. Ya en cierta ocasión, un periodista le pidió que hiciera una predicción de hacia dónde evolucionaría la investigación en los siguientes 50 años. “No lo sé…” le contestó entonces, “…pero déjeme hacer otra cosa; permítame retroceder 50 años y preguntarme que hubiera predicho en aquel momento”. De este ejercicio resultó que “nada” de lo que hubiera podido prever era una realidad cuando fue preguntado. “La belleza de la ciencia” sigue “son las cosas imprevistas. ¿Quién hubiera podido predecir hace 50 años que en ciertos tipos de sustancias acabaría siendo posible observar una simple molécula…¡una molécula!” repite con enfático asombro. “Si algo es predecible es porque ha sido estudiado ya y es comprendido, pero predecir algo nuevo es un gran desafío. Quizá alguien que ha pensado mucho sobre ello y sobre lo que se hace en un determinado tiempo pudiera hacer este tipo de predicciones”. Pero reconoce que él no es capaz.

Un último detalle del trabajo actual del profesor Marcus que nos ha llamado la atención es la variedad de asuntos contemplados en el programa de trabajo de su grupo de investigación, que abarca temas relacionados con tecnología, bioquímica o fotoquímica atmosférica.

“Cuando yo era joven” contesta, “hace diez años”, bromea “hice la mayoría de mi investigación teórica por mí mismo, y podía centrarme en un particular problema intensamente”. Una vez formado su grupo de investigación y dada su “curiosidad por los problemas que tienen que ser contestados” necesariamente tuvo que dispersar su atención hacia diferentes temas y, reconoce, trabajar mucho más, puesto que debe “saber algo sobre muchas cosas diferentes”. Esta situación le supone algún inconveniente, como “la dificultad de profundizar hasta el mismo nivel que cuando solo se trabaja en una cosa”, pero también tiene ventajas que evidentemente le compensan de sobra: “la excitación de trabajar en cosas nuevas y diferentes que nunca antes se han visto…de aprender”.