“Gràcies a l’ajut Ramon y Cajal puc obrir noves línies de recerca sobre les interaccions entre la llum i la matèria"

L’investigador d’IQS Dr. Roger Bresolí Obach ha rebut un dels prestigiosos ajuts Ramon y Cajal que concedeix el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades – Agencia Estatal de Investigación, per promoure la incorporació en organismes de recerca estatals de personal investigador amb trajectòria destacada, per assolir competències i capacitats que els permetin establir-se dins del sistema espanyol de Ciència, Tecnologia i Innovació, recuperant especialment aquells que hagin desenvolupat activitats de recerca a l’estranger.

El Dr. Bresolí s’ha incorporat a IQS – URL dins del grup de recerca AppLightChem, on porta a terme les seves investigacions d’avantguarda en les àrees de la fotobiologia, la fotoquímica, la fotònica i els materials òptics. Parlem amb ell d’aquest important ajut rebut i de les seves línies de recerca.

Roger, què significa per a tu i per a la teva carrera haver aconseguit aquest ajut Ramon y Cajal?

En primer lloc, estic molt agraït a l’Agència Estatal d’Investigació – AEI per haver-me concedit un dels ajuts Ramon y Cajal. Es tracta d’unes beques molt competitives i molt importants, que s’atorguen per un període de 5 anys i que ens donen molta estabilitat com a investigadors. En el meu cas, aquest ajut em permet desenvolupar-me dins d’IQS – URL com a investigador i poder dur a terme els meus propis projectes, a la vegada que em dona l’oportunitat de seguir formant-me com a professor i poder impartir algunes assignatures com són la de Termodinàmica i Cinètica, al grau de Bioenginyeria, o la de Química Física, al grau de Farmàcia.

Com a investigador, quina és la teva línia, o línies, de recerca?

Soc integrant del grup AppLightChem d’IQS, que coordina el Dr. Santi Nonell i que va ser el director de la meva tesi doctoral. Aquest grup fa molt de temps que treballa en línies de recerca sobre l’ús de la llum per aplicacions químiques i mediques, especialment en teràpies fotodinàmiques – PDT, que són una aposta de futur i molt important en l’àrea sanitària. Em vaig incorporar de nou a IQS i en aquest grup de recerca l’any 2022 gràcies a un dels ajuts Beatriu de Pinós, que concedeix AGAUR, a la qual vaig haver de renunciar en rebre la Ramon y Cajal el gener del 2023. Prèviament, havia treballat amb el grup del professor Dr. Johan Hofkens a la Katholieke Universiteit de Leuven, on em vaig especialitzar en tècniques de microscòpia òptica avançada.

Ara, i gràcies a aquest ajut Ramon y Cajal, he pogut accedir també a projectes propis i obrir noves línies de recerca a IQS que em semblen molt interessants, com és l’estudi de les interaccions entre la llum i la matèria, en anglès Light Matter Interaction. El projecte que lidero porta per nom ChemPhot, Chemistry of Photons – From Photobiology to Optical Matter, en el qual busco reivindicar el paper central de la Química com a nexe d’unió entre els diferents camps de la matèria, des de la Biologia fins a la Física.

“En el projecte ChemPhot busco reivindicar el paper central de la Química com a nexe d’unió entre els diferents camps de la matèria”

Amb quins objectius concrets?

Al final, volem entendre la interacció entre fotons i matèria, en diferents àrees del coneixement. Per exemple, en teràpies fotodinàmiques, on hi ha molècules capaces d’absorbir fotons per generar estats excitats altament energètics i transferir aquesta energia a altres molècules, com és l’oxigen, per generar espècies citotòxiques, com és el cas de l’oxigen singlet, o altres espècies reactives d’oxigen (Reactive Oxigen Species, ROS). A causa del seu gran potencial oxidatiu, aquestes espècies són capaces de causar un dany oxidatiu i, per tant, la mort cel·lular d’espècies patògenes, tals com cèl·lules canceroses o bacteris.

Un altre camp molt interessant d’estudiar és el de les tècniques de microscòpia òptica, on podem utilitzar els fotons per visualitzar fenòmens químics i físics que succeeixen a escala nanomètrica i poder treure tota la informació que sigui possible. Perquè, si podem visualitzar un fenomen, aquesta serà la millor forma d’estudiar per què succeeix i entendre la fenomenologia de fons. Al final farem certa la dita popular: “val més una imatge que mil paraules”. Aquesta va ser la línia que ja vaig començar a explorar a la Katholieke Universiteit de Leuven, amb el grup del professor Dr. Hofkens.  

“Mitjançant la microscòpia òptica podem utilitzar els fotons per poder visualitzar els fenòmens físics i químics a escala manomètrica”

Però l’interès pels fotons va encara més enllà, per la seva propietat dual de ser ones o partícules, tal com ja vàrem estudiar al batxillerat. Gràcies a aquesta dualitat, els fotons tenen un moment associat i, per tant, quan interaccionen amb altres partícules, poden transmetre-les aquest moment i induir-les unes forces, que es coneixen com a forces òptiques, un descobriment pel qual se li va atorgar el Premi Nobel de Física l’any 2018 al professor Dr. Arthur Ashkin. Si combinem aquestes forces, podem generar agrupacions de nanopartícules amb noves propietats i molt interessants, i entrem així en un altre camp, el de la ‘matèria òptica’ i els metamaterials.

I així connectes la interacció dels fotons amb la matèria…

Sí, per què aquí s’està obrint un nou camp d’expertesa que es coneix com la formació de metamaterials, que no són més que assemblatges de diferents partícules amb un cert ordre que els confereix propietats especials, que no podrien tenir per si mateixes de forma individual. Podem dir que es tracta de materials artificials amb propietats electromagnètiques inusuals, que procedeixen del disseny de l’estructura i interacció entre els diferents elements veïns. Tot i això, la seva composició química encara és molt rellevant, ja que en determinarà la possible interacció amb els elements veïns.

“Els metamaterials no són més que assemblatges de diferents partícules amb un cert ordre que els confereix unes propietats especials”

Un tipus d’aquests metamaterials és el que es coneix com a ‘matèria òptica’ – Optical matter, en la qual s’uneixen diferents partícules mitjançant els anomenats enllaços òptics – optical binding. Tal com un enllaç químic es pot descriure com la cessió o compartició d’electrons, un enllaç òptic es pot veure com la compartició de fotons entre dues partícules, mitjançant processos de dispersió de llum. Aquesta àrea del coneixement és el cor del projecte Ligthcompas, un projecte finançat per l’Agència Estatal d’Investigació dins del Panell de Física Quàntica, coordinat amb altres investigadors de la Universitat Autònoma de Madrid i del CSIC, i del qual soc l’investigador principal. L’objectiu d’aquest projecte és el desenvolupament d’aquests ‘metamaterials’ o materials òptics generats en una superfície, i desenvolupar models conceptuals i eines computacionals que ajudin a entendre tota aquesta fenomenologia que sorgeix de la interacció llum-matèria.

A més del LightCompas, treballes en algun projecte més relacionat amb metamaterials?

Sí, dins d’aquesta àrea del coneixement també soc membre del projecte FASTCOMET, un consorci de sis centres de recerca i universitats europeus, amb l’objectiu de desenvolupar uns nous sistemes d’emmagatzematge de dades basats en tecnologies de memòries col·loïdals, i establir una prova de concepte. La idea és poder desenvolupar dos tipus diferents de partícules amb propietats dielectroforètiques antagòniques. Un cop les tinguem, serem capaços d’atrapar selectivament aquestes partícules mitjançant l’aplicació de forces dielectroforètiques, i emmagatzemar-les en seqüències específiques. Es preveu aconseguir densitats d’emmagatzematge d’informació fins a 1000 vegades superior a les tecnologies actuals. Es tracta d’un projecte pioner a Europa.

Ara, aquest mes de novembre, el consorci FASTCOMET ha celebrat una sessió de seguiment aquí, a IQS, on hem presentat els resultats que hem assolit en aquest primer any de treball

Voldria afegir que, recentment, vaig parlar dels metamaterials, de les seves propietats i del projecte FASTCOMET en el podcast Indefugibles del Dr. Xavier Casanovas i Dr. Oriol Quintana, professors de la Càtedra d’Ètica i Pensament Cristià d’IQS.

Quines aplicacions concretes aporten les vostres recerques?

Hem començat parlant de la PDT, una de les recerques estrelles del grup AppLightChem. La PDT s’està establint com teràpia alternativa a les tradicionals (tractaments antimicrobians o teràpies de tractament de càncer), i s’està començant a utilitzar en la pràctica clínica, ja que alguns fotosensibilitzadors han estat ja aprovats pel seu ús en clínica, tant per la FDA com per l’Agència Europea de Medicaments – EMA, com a segones línies de tractaments quan la quimioteràpia falla. A causa del seu mecanisme d’acció, la PDT pot millorar o sortejar algunes resistències quan els tractaments habituals fallen, així com la multiresistència d’alguns bacteris, un dels principals problemes sanitaris de futur, o quan les cèl·lules tumorals es resisteixen a morir.

“Els metamaterials són una aposta de futur, que podran millorar la qualitat de vida i el confort dels ciutadans”

I en el cas dels metamaterials?

Aquests, en canvi, són realment una aposta de futur, on podrem trobar aplicacions com el desenvolupament de nous sistemes d’emmagatzematge de dades, que puguin millorar la capacitat de memòria dels dispositius, amb major densitat de memòria i més potents que els que disposem actualment, o materials amb propietats optoelectròniques no convencionals, tals com índex de refracció inferior a 1, materials supernegres, o materials amb altes mobilitats electròniques.

El coneixement actual sobre metamaterials òptics està en “la seva infantesa”, però tinc molta confiança amb el seu potencial. Espero que succeeixi com va passar amb el desenvolupament de la tecnologia làser als anys 60 i que, en el transcurs d’uns anys, aquests nous materials evolucionin des d’una simple curiositat científica al seu ús quotidià, millorant la qualitat de vida i el confort dels ciutadans.