En el bullicio cotidiano, donde el café humeante marca el inicio del día y el vapor exhalado se funde con la rutina que se avecina, dos compuestos actúan en sigilo: la cafeína y la nicotina que nos habitan, modulando el ánimo, la concentración y la dependencia. Pero ¿qué ocurre en las profundidades de estas sustancias?
Las revelaciones de la física computacional sobre los dos alcaloides cotidianos más queridos del mundo nos invitan a descender al nivel cuántico, donde la materia obedece leyes propias y el lenguaje de la simulación permite desentrañar lo que los sentidos no alcanzan. Allí, en el cruce entre la química, la informática y el cuerpo, se dibuja una cartografía molecular que no solo explica, sino que —sobre todo— interroga.
Habitan nuestras rutinas con la familiaridad de un viejo gesto: en la bebida energética que promete rendimiento, en el refresco azucarado que acompaña las comidas, en el té que calma o estimula, en el parche transdérmico que pretende emancipar del vicio, en medicamentos adquiridos sin receta ni sospecha.
La cafeína y la nicotina son, quizá, los alcaloides más íntimos de la modernidad; presencias discretas pero persistentes, incorporadas al cuerpo social con una naturalidad que disimula su potencia. Pero su ubicuidad no debería adormecer la mirada: se trata de moléculas bioactivas con efectos tan complejos como sus estructuras, cuyo impacto —farmacológico, toxicológico y ambiental— sigue siendo objeto de escrutinio científico, controversia regulatoria y debate público.
¿Qué ocurre si dejamos de observar estas sustancias desde sus manifestaciones clínicas o sus impactos macrosociales y nos aventuramos, en cambio, hacia el territorio donde todo se gesta: su estructura electrónica, su vibración íntima, su “alma” cuántica?
Esa fue, precisamente, la apuesta de un estudio reciente, publicado en Scientific Reports (2025) y firmado por investigadores de Nepal y Etiopía. A través de herramientas de química computacional, el equipo bajo el liderazgo de Manoj Sah se propuso cartografiar con minuciosidad el comportamiento molecular de la cafeína y la nicotina en distintos entornos químicos, desnudando sus reacciones más elementales.
La novedad del estudio es doble y sustancial. Sah y su equipo del St. Xavier’s College y de la Universidad Mizan-Tepi no se limitaron a analizar las moléculas en fase gaseosa o en agua, como dictan muchos protocolos convencionales, sino que simularon su comportamiento en dos solventes de polaridad opuesta: tetracloruro de carbono (CCl₄), un líquido apolar, y dimetilsulfóxido (DMSO), un solvente polar de amplio uso biomédico.
Para ello, recurrieron a modelos cuánticos avanzados, basados en la teoría del funcional de la densidad (DFT), capaces de revelar la arquitectura electrónica más allá de la apariencia molecular.
Así, el equipo trazó un mapa atómico y óptico de estos alcaloides, cuyas ramificaciones, tanto conceptuales como tecnológicas, se extienden desde la farmacología computacional hasta el diseño de sensores moleculares y materiales ópticos no lineales.
Moléculas, medios y modelos
Aunque los nombres pueden sonar extraños y técnicos, el punto de partida del estudio es sencillo y poderoso: el entorno químico influye profundamente en cómo se comportan las moléculas.
Para comprobarlo, los investigadores utilizaron simulaciones por ordenador que permiten observar cómo varía la estructura y el comportamiento de la cafeína y la nicotina en distintos medios. No se limitaron al aire o al agua, como suele hacerse, sino que también las analizaron en dos líquidos muy distintos: uno apolar (tetracloruro de carbono) y otro polar, muy usado en medicina (DMSO).
Gracias a herramientas de química computacional, como los programas Gaussian09W y Multiwfn, lograron crear modelos tridimensionales que muestran cómo cambian estas moléculas a nivel electrónico, dependiendo del entorno. Así, el estudio ofrece una mirada detallada, casi microscópica, que ayuda a entender mejor cómo actúan estas sustancias en distintos contextos.
Pero, como bien advierte el físico teórico Roberto Sussman (UNAM), “estos modelos deben verificarse en el laboratorio y en condiciones reales de uso, como los vehículos de administración de cafeína y nicotina. Las simulaciones no sustituyen los experimentos”. Su advertencia encarna una tensión central de la química computacional: su asombrosa capacidad predictiva convive, inevitablemente, con una prudencia epistemológica que no debe ni puede ser obviada.
Cuando el entorno lo cambia todo
Entre los hallazgos más reveladores del estudio sobresale la manera como el comportamiento electrónico de las moléculas se transforma al pasar de un medio apolar, como el tetracloruro de carbono (CCl₄), a otro intensamente polar, como el dimetilsulfóxido (DMSO). Nombres difíciles, sí. Pero lo esencial es comprender que ese simple cambio de entorno basta para modificar cómo la cafeína y la nicotina distribuyen sus cargas internas, responden a la luz y se relacionan con lo que las rodea. En el universo molecular, el contexto no es un telón de fondo: es protagonista de la escena.
El momento dipolar —que refleja cómo se distribuye la carga eléctrica dentro de una molécula— se incrementó notablemente al pasar de la fase gaseosa a un entorno polar.
La cafeína, con un momento dipolar más elevado (4–5 Debye) que la nicotina (3–4), mostró una mayor sensibilidad al medio, lo que en parte explica su alta solubilidad en fluidos acuosos, como los del cuerpo humano. Esa afinidad no es trivial: determina cómo estas moléculas se disuelven, se desplazan y actúan en los entornos biológicos que las reciben.
Desde el punto de vista energético, la cafeína también mostró una mayor estabilidad que la nicotina en todos los entornos simulados. Sin embargo, ambas moléculas experimentaron una pérdida de estabilidad al pasar a la fase líquida, especialmente en DMSO, donde la adaptación electrónica al entorno polar conlleva un coste energético significativo.
En otras palabras, integrarse al medio exige ceder parte del equilibrio interno: la molécula se deforma, se ajusta, se adapta y, en ese gesto, paga un precio.
Los espectros Raman y UV-Vis también revelaron diferencias notables entre las dos moléculas. La nicotina, cuya arquitectura molecular es más intrincada, exhibió un mayor número de picos vibratorios, así como una respuesta espectral más aguda ante los cambios de entorno.
Esta sensibilidad —casi táctil a nivel electrónico— sugiere un potencial particularmente prometedor para su aplicación en sensores ópticos, donde captar lo imperceptible es, precisamente, la clave.
Sin embargo —como vuelve a advertir Roberto Sussman— estas propiedades espectroscópicas “no necesariamente se conservan en condiciones de uso reales, como en un dispositivo de vapeo, que es un sistema abierto térmicamente, con procesos físicos muy rápidos”.
En efecto, un vaporizador no reproduce las condiciones de equilibrio cuántico que estos modelos simulan. Por eso, toda extrapolación a contextos aplicados debe hacerse con cautela: entre la predicción teórica y el comportamiento en el mundo hay un abismo de variables, fluctuaciones, complejidades y cuerpos que respiran.
La luz como sonda
Donde la nicotina superó con claridad a la cafeína fue en sus propiedades ópticas no lineales (NLO): la polarizabilidad total (α) y la hiperpolarizabilidad (β), parámetros que definen cómo una molécula responde ante campos luminosos de alta intensidad, como los que produce un láser.
En este terreno —y especialmente en DMSO— la nicotina mostró una reactividad óptica notable, que la perfila como candidata prometedora para aplicaciones en fotónica, almacenamiento óptico y biosensores de nueva generación. Allí donde el ojo humano no alcanza, estas moléculas podrían aprender a ver.
Pero, una vez más, conviene introducir matices. Como advierte Sussman, “no toda reacción molecular, por sofisticado que sea su modelado, puede reproducir los procesos físicos ultrarrápidos y no lineales que ocurren en dispositivos como los vaporizadores”.
Una hiperpolarizabilidad simulada en estado de reposo —es decir, calculada en condiciones ideales, sin perturbaciones externas ni variaciones bruscas de energía— puede comportarse de manera radicalmente distinta cuando se expone a situaciones dinámicas y extremas.
Pulsos térmicos intensos, como los que se generan en dispositivos de vapeo, o transiciones de fase aceleradas (cambios súbitos en el estado físico o químico del sistema) pueden alterar profundamente la forma en que la molécula interactúa con la luz o con su entorno.
Bajo estas condiciones, la respuesta óptica ya no es lineal, estable ni previsible. Por eso, la extrapolación desde modelos teóricos a aplicaciones reales no puede darse por sentada: requiere ser verificada en escenarios concretos, donde la materia ya no es ideal y el tiempo no se detiene.
Cartografía electrónica: lo que dicen los electrones que no vemos
El estudio también se adentró en las profundidades del comportamiento electrónico, empleando herramientas topológicas de alta resolución conceptual.
Los análisis AIM (Atoms in Molecules), NCI-RDG (Non-Covalent Interactions) y los mapas ELF/LOL (Electron Localization Function / Localized Orbital Locator) permitieron visualizar con detalle las interacciones débiles intramoleculares —como las fuerzas de Van der Waals o los enlaces por puente de hidrógeno— que sostienen la arquitectura tridimensional de las moléculas.
Lejos de ser simples abstracciones matemáticas, estos métodos permiten observar cómo se distribuyen los electrones en el espacio molecular y cómo, a partir de esa distribución, emergen formas de atracción sutiles pero decisivas. Aunque a menudo invisibles y fácilmente subestimadas, estas fuerzas no covalentes son fundamentales en la estabilidad estructural: actúan como hilos invisibles que mantienen unido el tejido de la molécula.
En ese microcosmos de atracciones delicadas, lo aparentemente secundario resulta esencial: es lo que da forma, mantiene el equilibrio y permite que la molécula sea lo que es.
En un medio polar como el DMSO, estas interacciones se intensifican: la polaridad del entorno reorganiza las densidades electrónicas, reforzando ciertas regiones de enlace suave. Este tipo de análisis resulta fundamental para anticipar cómo una molécula podría interactuar con proteínas, membranas o receptores biológicos, donde las fuerzas no covalentes son clave en el reconocimiento molecular.
Sin embargo, el propio artículo reconoce sus límites: no se realizaron simulaciones explícitas con proteínas ni se trabajó en entornos celulares. Esta omisión restringe la posibilidad de inferir, de forma directa, comportamientos bioquímicos complejos.
Como matiza Sussman, “modelar cómo un fármaco afecta la estructura proteica requiere simulaciones adicionales y más específicas que no están presentes en este trabajo”. Entre lo que puede calcularse y lo que verdaderamente ocurre en el cuerpo aún media una distancia que la simulación no ha logrado cerrar del todo.
Farmacología cuántica y toxicología predictiva
Aunque el estudio no aborda de forma directa ni la toxicología ni la farmacocinética, sus hallazgos poseen un valor predictivo nada menor. Los cambios en la forma y la distribución de cargas dentro de las moléculas permiten prever cómo podrían comportarse en el cuerpo humano: si se disuelven bien en agua, cómo podrían ser descompuestas por enzimas o si podrían resistir ciertos procesos de resistencia metabólica.
En el terreno de la reducción de daños, estas simulaciones abren un abanico de posibilidades prácticas, como:
- Prever interacciones no deseadas con excipientes, metabolitos o solventes. Diseñar derivados moleculares más seguros, menos adictivos;
- Establecer umbrales de exposición basados en propiedades electrónicas reales;
- Y, no menos importante, reducir el uso de animales de laboratorio, en sintonía con los principios éticos de la toxicología contemporánea.
Sin embargo, la prudencia sigue siendo una brújula imprescindible. Como recuerda Roberto Sussman, “estos modelos son representaciones computarizadas de la química cinética. Sin validación práctica en condiciones reales, sus resultados no bastan para reemplazar el experimento”.
Su advertencia no desestima el valor del modelado, pero exige una ciencia que no se encierre en la predicción, sino que la complemente, la confronte, la verifique. Que no se limite a imaginar lo posible, sino que se atreva a contrastarlo con lo real.
Este estudio no se queda en los modelos abstractos: propone usos concretos que podrían tener impacto en distintas áreas, desde la ciencia hasta la industria y las políticas públicas. Algunas de las aplicaciones posibles incluyen:
- Sensores ópticos que detecten la presencia de cafeína, nicotina u otros alcaloides en alimentos, fluidos del cuerpo o ambientes industriales;
- Nuevos materiales para tecnologías ópticas avanzadas, como sistemas de telecomunicaciones, láseres o dispositivos de almacenamiento de datos;
- Recursos pedagógicos para enseñar química y espectroscopía de forma más visual y precisa;
- Parámetros útiles para rastrear y controlar sustancias en procesos industriales;
- En un nivel más amplio, herramientas para monitorear compuestos psicoactivos en el ambiente, lo que podría influir en normativas sanitarias o medioambientales.
Ciencia con conciencia de sus límites
El estudio se distingue por su solidez metodológica y su enfoque original: combina múltiples herramientas de la química cuántica para analizar dos alcaloides clave en entornos químicamente opuestos.
Pero, lejos de caer en la tentación de la sobreinterpretación, sus autores muestran una conciencia crítica poco habitual. Reconocen con claridad que el modelo PCM es una simplificación, que solo se exploraron dos solventes y que los resultados, por prometedores que sean, aún requieren validación experimental para poder ser extrapolados con certeza.
Es una ciencia que avanza, pero no se precipita; que simula, pero no se engaña.
La crítica del Dr. Roberto Sussman —rigurosa, anclada en los principios fundamentales de la física— introduce una advertencia crucial: la precisión matemática de un modelo no garantiza, por sí sola, su validez en el mundo real.
Dispositivos electrónicos, procesos biológicos, condiciones experimentales: todos ellos aportan variables, fluctuaciones y desvíos que escapan al control de un entorno idealizado. Confundir exactitud formal con aplicabilidad universal es uno de los riesgos más sutiles, y más frecuentes, en la era de la simulación.
Aun así, el artículo no clausura caminos: los abre. Traza rutas posibles para futuras investigaciones y subraya, por encima de todo, la urgencia de una ciencia colaborativa, capaz de cruzar la frontera entre lo computacional y lo experimental. Porque solo en ese territorio compartido —donde el código y el cuerpo, el cálculo y la prueba, se encuentran— es posible construir conocimiento con vocación de mundo.
Conclusión: entender para transformar
El trabajo de Manoj Sah, Raju Chaudhary, Suresh Kumar Sahani, Kameshwar Sahani, Binay Kumar Pandey, Digvijay Pandey y Mesfin Esayas Lelisho no se limita a describir cómo se comportan la cafeína y la nicotina en distintos líquidos. Nos ofrece algo más radical: una forma distinta de mirar, una lupa cuántica posada sobre la materia cotidiana que transforma la complejidad molecular en conocimiento útil y el detalle invisible en posibilidad de acción.
Mirar lo minúsculo no es una evasión, sino una forma de intervención: cuando entendemos mejor lo que nos habita, estamos también en condiciones de imaginar otras formas de habitar el mundo.
Acostumbrados como estamos a discursos que reducen la complejidad a etiquetas morales —clasificando sustancias por su riesgo social más que por su estructura íntima—, esta ciencia nos recuerda algo fundamental: que comprender es el primer paso para transformar, y también para no estigmatizar.
Nombrar con rigor es empezar a mirar sin prejuicio. Y mirar sin prejuicio, quizás, sea la forma más radical de conocimiento.
Pero no se trata de una promesa ingenua. Como resume Sussman, “la química cuántica es una herramienta poderosa, pero ningún modelo computacional puede sustituir la realidad compleja de los sistemas abiertos y dinámicos en los que estas moléculas realmente actúan”.
Entre la teoría y la práctica, entre los electrones y las políticas públicas, este estudio representa un avance valioso —aunque aún inicial— hacia una comprensión más integral de sustancias que, por familiares, a menudo dejamos de mirar con la profundidad que merecen. Tal vez sea hora de volver a observarlas, no como hábitos, sino como realidades moleculares que interpelan tanto al cuerpo como al pensamiento.
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