“Gracias a la ayuda Ramón y Cajal puedo abrir nuevas líneas de investigación sobre las interacciones entre la luz y la materia"

El investigador de IQS Dr. Roger Bresolí Obach recibió una de las prestigiosas ayudas Ramón y Cajal que concede el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades – Agencia Estatal de Investigación, para promover la incorporación en organismos de investigación estatales de personal investigador con trayectoria destacada, para alcanzar competencias y capacidades que les permitan establecerse dentro del sistema español de Ciencia, Tecnología e Innovación, recuperando especialmente aquellos que hayan desarrollado actividades de investigación en el extranjero.

El Dr. Bresolí se ha incorporado a IQS – URL dentro del grupo de investigación AppLightChem, donde lleva a cabo sus investigaciones de vanguardia en las áreas de la fotobiología, la fotoquímica, la fotónica y los materiales ópticos. Hablamos con él de esta importante ayuda recibida y de sus líneas de investigación.

Roger, ¿qué significa para ti y para tu carrera haber conseguido esta ayuda Ramón y Cajal?

En primer lugar, estoy muy agradecido a la Agencia Estatal de Investigación – AEI por haberme concedido una de las ayudas Ramón y Cajal. Se trata de una de las ayudas más competitivas y muy importantes, que se otorgan por un periodo de 5 años y que nos dan mucha estabilidad como investigadores. En mi caso, me permite desarrollarme dentro de IQS –URL como investigador y poder llevar a cabo mis propios proyectos, a la vez que me da la oportunidad de seguir formándome como profesor y poder impartir algunas asignaturas como son la de Termodinámica y Cinética, en el grado de Bioingeniería, o la de Química Física, en el grado de Farmacia.

Como investigador, ¿cuál es tu línea, o líneas de investigación?

Soy integrante del grupo AppLightChem de IQS, que cordina el Dr. Santi Nonell, quien fue el director de mi tesis doctoral. Este grupo trabaja desde hace mucho tiempo en líneas de investigación sobre el uso de la luz para el uso de la luz en aplicaciones químicas y médicas, especialmente en terapias fotodinámicas – PDT, que son una apuesta de futuro y muy importante en el ámbito sanitario. Me incorporé de nuevo a IQS y a este grupo de investigación en el año 2022 gracias a una de las ayudas Beatriu de Pinós, que concede AGAUR, a la cual tuve que renunciar al recibir la Ramón y Cajal en enero del 2023. Previamente, había trabajado con el grupo del profesor Dr. Johan Hofkens en la Katholieke Universiteit de Leuven, donde me especialicé en técnicas de microscopia óptica avanzada.

Ahora, y gracias a esta ayuda Ramón y Cajal, he podido acceder a proyectos propios y abrir nuevas líneas de investigación en IQS, que me parecen muy interesantes, como es el estudio de las interacciones entre la luz y la materia, en inglés Light Matter Interaction. En el proyecto que lidero, ChemPhot, Chemistry of Photons – From Photobiology to Optical Matter, busco reivindicar el papel central de la Química, como nexo de unión entre los diferentes campos de la materia, desde la Biología hasta la Física.

«En el proyecto ChemPhot busco reivindicar el papel central de la Química como nexo de unión entre los diferentes campos de la materia»

¿Con qué objetivos concretos?

Al final, queremos entender la interacción entre fotones y materia, en diferentes áreas del conocimiento. Por ejemplo, en terapias fotodinámicas, donde hay moléculas capaces de absorber fotones para generar estados excitados altamente energéticos y trasferir esta energía a otras moléculas, como es el oxígeno, para generar especies citotóxicas, como es el caso del oxígeno singlete, u otras especies reactivas de oxígeno (Reactive Oxigen Species, ROS). Debido a su gran potencial oxidativo, estas especies son capaces de causar un daño oxidativo y, por tanto, la muerte celular de especies patógenas, tales como células cancerosas o bacterias.

Otro campo muy interesante es el de las técnicas de microscopía óptica, donde podemos utilizar los fotones para visualizar fenómenos químicos y físicos que suceden a escala nanométrica y poder tener toda la información posible. Porque, si podemos visualizar un fenómeno, esta será la mejor forma de estudiar por qué sucede y entender la fenomenología de fondo. Al final, haremos cierto el dicho popular: “vale más una imagen que mil palabras”. Esta fue la línea que empecé a explorar en la Katholieke Universiteit de Leuven, con el grupo del profesor Dr. Hofkens.

«Mediante la microscopía óptica podemos utilizar los fotones para poder visualizar los fenómenos físicos y químicos a escala nanométrica»

Pero el interés por los fotones va aún más allá, por su propiedad dual de ser ondas o partículas, tal y como ya estudiamos en bachillerato. Gracias a esta dualidad, los fotones tienen un momento asociado y, por tanto, cuando interaccionan con otras partículas, pueden trasmitirles este momento e inducirles unas fuerzas, que se conocen como fuerzas ópticas, un descubrimiento por el cual se otorgó el Premio Nobel de Física 2018 al profesor Dr. Arthur Ashkin. Si combinamos estas fuerzas, podemos generar agrupaciones de nanopartículas con nuevas propiedades y muy interesantes, y entramos así en otro campo, el de la ‘materia óptica’ y los metamateriales.

Y así conectamos la interacción de los fotones y la materia…

Sí, porque aquí se está abriendo un nuevo campo de experiencia que se conoce como la formación de metamateriales, que no son más que ensamblajes de diferentes partículas con un cierto orden que les confiere propiedades especiales, que no podrían tener por sí mismas de forma individual. Podemos decir que se trata de materiales artificiales con propiedades electromagnéticas inusuales, que proceden del diseño de la estructura y de la interacción entre los diferentes elementos vecinos. A pesar de todo, su composición química aún es muy relevante, ya que determinará la posible interacción entre los elementos vecinos.

«Los metamateriales no son más que ensamblajes de diferentes partículas con un cierto orden que les confiere unes propiedades especiales»

Un tipo de estos metamateriales es lo que se conoce como ‘materia óptica’ – Optical matter, en la cual se unen diferentes partículas mediante los denominados enlaces ópticos – optical binding. Así como un enlace químico se puede describir como la cesión o compartición de electrones, un enlace óptico puede verse como la compartición de fotones entre dos partículas, mediante procesos de dispersión de luz. Esta área del conocimiento es el corazón del proyecto Lightcompas, un proyecto financiado por la Agencia Estatal de Investigación dentro del Panel de Física Cuántica, coordinado con otros investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid y del CSIC, y del que soy investigador principal. El objetivo de este proyecto es el desarrollo de estos ‘metamateriales’ o materiales ópticos generados en una superficie, y desarrollar modelos conceptuales y herramientas computacionales que ayuden a entender toda esta fenomenología que surge de la interacción luz-materia.

Además del LightCompas, ¿trabajas en algún proyecto más relacionado con metamateriales?

Sí, dentro de esta área del conocimiento también soy miembro del proyecto FASTCOMET, un consorcio de seis centros de investigación y universidades europeos, con el objetivo de desarrollar nuevos sistemas de almacenaje de datos basados en tecnologías de memoria coloidales y establecer una prueba de concepto. La idea es poder desarrollar dos tipos diferentes de partículas con propiedades dielectroforéticas antagónicas. Una vez las consigamos, seremos capaces de atrapar selectivamente estas partículas mediante la aplicación de fuerzas dielectroforéticas y almacenar secuencias específicas. Prevemos conseguir densidades de almacenaje de información hasta 1000 veces superiores a las tecnologías actuales. Se trata de un proyecto pionero en Europa.

Este mes de noviembre, el consorcio FASTCOMET ha celebrado una sesión de seguimiento aquí, en IQS, donde hemos presentado los resultados conseguidos en este primer año de trabajo.

Quisiera añadir que, recientemente, hablé de los metamateriales, de sus propiedades y del proyecto FASTCOMET podcast Indefugibles del Dr. Xavier Casanovas y Dr. Oriol Quintana, profesores de la Cátedra de Ética i Pensamiento Cristiano de IQS.

¿Qué aplicaciones concretas aportan vuestras investigaciones?

Hemos empezado hablando de la PDT, una de las investigaciones estrellas del grupo AppLightChem. La PDT se está estableciendo como terapia alternativa a las tradicionales (tratamientos antimicrobianos o terapias de tratamiento de cáncer), y se está empezando a utilizar en la práctica clínica, ya que algunos fotosensibilizadores han sido aprobados para su uso en clínica, tanto por la FDA como por la Agencia Europea de Medicamentos – EMA, como segundas líneas de tratamiento cuando la quimioterapia falla. Debido a su mecanismo de acción, la PDT puede mejorar o sortear algunas resistencias cuando los tratamientos habituales fallan, así como la multiresistencia de algunas bacterias, uno de los principales problemas sanitarios de futuro, o cuando las células tumorales se resisten a morir.

«Los metamateriales son una apuesta de futuro, que podrían mejorar la calidad de vida y el confort de los ciudadanos»

¿Y en el caso de los metamateriales?

Estos, en cambio, son realmente una apuesta de futuro, donde podremos encontrar aplicaciones como el desarrollo de nuevos sistemas de almacenaje de datos, que puedan mejorar la capacidad de memoria de los dispositivos, con mayor densidad de memoria y más potentes que las que se disponen actualmente, o materiales con propiedades optolectrónicas no convencionales, tales como índice de refracción inferior a 1, materiales supernegros, o materiales con altas movilidades electrónicas.

 El conocimiento actual sobre metamateriales ópticos está en “su infancia”, pero tengo mucha confianza en su potencial. Espero que ocurra como pasó con el desarrollo de la tecnología láser en los años 60 y, que con el transcurso de los años, estos nuevos materiales evolucionen desde una curiosidad científica a su uso cotidiano, mejorando la calidad de vida y el confort de los ciudadanos.