Cho Minhaeng

Cho Minhaeng ( en coreano : 조민행 ; nacido en 1965) es un científico surcoreano que investiga la química física , la espectroscopia y la microscopía. Fue director del Centro Nacional de Iniciativas de Investigación Creativa para la Espectroscopia Multidimensional Coherente y es director fundador del Centro de Espectroscopia y Dinámica Molecular en el Instituto de Ciencias Básicas (IBS), ubicado en la Universidad de Corea . 

Cho Minhaeng ( 조민행 ), licenciado en química, obtuvo su título de grado y maestría en la Universidad Nacional de Seúl en 1987 y 1989, respectivamente. Posteriormente, estudió química física en la Universidad de Chicago , donde trabajó simultáneamente como asistente de investigación. Bajo la supervisión del profesor Graham Fleming , obtuvo su doctorado en 1993.

Durante el primer año de sus estudios de doctorado, Cho fue científico visitante en la Universidad de Rochester durante varios meses. Repitió esta experiencia en el Instituto de Ciencias Moleculares (IMS) de Japón en 1992 y en la Universidad de Brown en 1993. Regresó al IMS en 1993 como científico visitante y en 1997 como profesor visitante. Tras obtener su doctorado, Cho realizó una estancia postdoctoral de dos años con el profesor Robert J. Silbey en el MIT , de 1994 a 1996. Regresó a Corea en 1996 como profesor asistente en el Departamento de Química de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Corea . Se convirtió en profesor asociado en 1999, en catedrático en 2003 y, de 2005 a 2008, fue profesor de la Cátedra Hyundai-Kia Motor. ^{[ 1 ]}

En 2002, Cho fue presidente de la 1.ª Conferencia Internacional sobre Espectroscopia Vibracional Multidimensional, celebrada en la Universidad de Corea. Fue miembro del Comité de Cooperación Internacional de la Sociedad Química de Corea de 2003 a 2006. Dirigió el Centro Nacional de Iniciativas de Investigación Creativa para la Espectroscopia Multidimensional Coherente de 2000 a 2009. Se convirtió en director del Centro IBS para Espectroscopia y Dinámica Molecular, establecido en diciembre de 2014. ^{[ 2 ] [ 3 ]} En 2016, Choi Wonshik se unió al Centro como director asociado y jefe del Laboratorio de Imágenes de Superprofundidad.

El grupo de investigación de Cho estudia la espectroscopia óptica y vibracional no lineal, las simulaciones de dinámica molecular de sistemas químicos y biológicos en fases condensadas, la dinámica cuántica de reacciones químicas, la espectroscopia quiroóptica lineal y no lineal de biomoléculas, la espectroscopia e imagen cuántica con tecnología láser de alta precisión, las mediciones interferométricas de campos de dispersión para el seguimiento de partículas individuales, la espectroscopia e imagen químicamente sensibles, la espectroscopia específica de superficies y la microespectroscopia vibracional ultrarrápida.

• Teoría de la espectroscopia óptica no lineal: La espectroscopia óptica no lineal que utiliza múltiples pulsos láser (ultracortos) se ha utilizado ampliamente en el estudio de procesos químicos y biológicos ultrarrápidos en fases condensadas. Cho estudió teóricamente la espectroscopia de mezcla de cuatro ondas no lineal, como el eco de fotones y la espectroscopia multidimensional coherente, durante las últimas tres décadas. Una de las técnicas espectroscópicas antiguas pero aún potentes que permite medir directamente la dinámica de solvatación de cromóforos electrónicos o vibracionales y los procesos de desfase homogéneo de esos cromóforos que interactúan con moléculas de disolvente es el método de medición del desplazamiento del pico del eco de fotones (PEPS). La primera descripción teórica de la relación entre la heterogeneidad dinámica en las frecuencias de transición óptica de los cromóforos en fases condensadas y la señal PEPS fue descrita por Cho. La representación diagramática de la espectroscopia óptica no lineal y la teoría completa de los fenómenos espectroscópicos ópticos no lineales y quiroópticos han sido investigadas exhaustivamente y presentadas en su libro, Two-Dimensional Optical Spectroscopy ( CRC Press ), publicado en 2009.
• Espectroscopia multidimensional coherente: Tras estudiar la espectroscopia de mezcla de cuatro ondas no lineal, una extensión natural de la espectroscopia de eco de fotones, un método muy popular para dilucidar el proceso de desfase homogéneo sin contaminación por contribuciones de ensanchamiento de línea no homogéneo, es la espectroscopia multidimensional coherente con múltiples pulsos láser. A lo largo de los años, Cho ha desarrollado y completado el marco teórico general de la espectroscopia óptica o vibracional multidimensional coherente y la ha aplicado a diversos sistemas complejos, incluyendo proteínas y ácidos nucleicos en soluciones acuosas. Además de los métodos espectroscópicos bidimensionales que utilizan pulsos visibles o infrarrojos, en la década de 1990 Cho propuso teóricamente una nueva clase de espectroscopia multidimensional que utiliza simultáneamente pulsos infrarrojos y visibles para investigar los acoplamientos entre modos electrónicos y vibracionales (J. Chem. Phys. 109, 10559 (1998)). Solo recientemente, en los últimos años, se ha demostrado experimentalmente que este tipo de espectroscopia bidimensional de mezcla de cuatro ondas IR-vis resulta de excepcional utilidad para estudiar la relajación vibracional en estados excitados y las mezclas vibrónicas en sistemas multicromóforos acoplados electrónicamente, incluidos complejos proteicos captadores de luz y agregados moleculares.
• Espectroscopia Quiroóptica: Uno de los experimentos más desafiantes en el campo de la espectroscopia de moléculas quirales es el desarrollo de una técnica de espectroscopia quiroóptica ultrarrápida en el dominio del tiempo. Paralelamente, se han realizado numerosos intentos para desarrollar métodos teóricos y computacionales que permitan calcular las respuestas de actividad óptica no lineal de moléculas quirales mediante simulación de dinámica molecular clásica o métodos híbridos de simulación cuántico-mecánica/mecánica molecular. Dado que una señal quiroóptica típica es varios órdenes de magnitud menor que las observables espectroscópicas lineales, como la absorción o la sección transversal de dispersión de la luz, la espectroscopia no lineal mediante pulsos de luz helicoidales (levógiros o dextrógiros) resulta extraordinariamente compleja debido a su debilidad intrínseca. La medición del dicroísmo circular vibracional con un espectrómetro comercial requiere desde decenas de minutos hasta horas. Por lo tanto, desde hace tiempo se busca desarrollar una técnica de espectroscopia quiroóptica ultrarrápida. En 2003, Cho (J. Chem. Phys. 119, 7003-7016 (2003)) demostró teóricamente que la espectroscopia quiroóptica bidimensional podía proporcionar información crucial sobre la actividad óptica molecular y su evolución temporal. Posteriormente, Cho demostró que un método de detección heterodina con control preciso de los estados de polarización del pulso resulta excepcionalmente útil para medir señales de dicroísmo circular vibracional de femtosegundos de compuestos orgánicos quirales en disolución. Además, un pulso de supercontinuo generado al enfocar un pulso láser intenso en el agua puede utilizarse para medir la señal quiroóptica detectada por heterodina con una sensibilidad sin precedentes. Incluso un único pulso láser de femtosegundos es suficiente para obtener un espectro quiroóptico en el dominio de la frecuencia visible.
• Solvatocromismo vibracional. Teoría y experimento: Las frecuencias vibracionales de las moléculas poliatómicas cambian en disoluciones o en cualquier otra fase condensada debido a las interacciones intermoleculares entre las moléculas de soluto y disolvente. Este fenómeno se conoce desde hace tiempo como solvatocromismo vibracional. Bajo el campo externo creado por las moléculas de disolvente circundantes, la superficie de energía potencial multidimensional de una molécula de soluto poliatómica polar se ve afectada y modificada, lo que produce cambios en la frecuencia vibracional y modulación de la forma de la línea espectral. En las últimas dos décadas, se ha producido un avance espectacular en las técnicas espectroscópicas vibracionales ultrarrápidas, excepcionalmente útiles para estudiar y monitorizar las fluctuaciones ultrarrápidas de las frecuencias vibracionales de sondas IR incorporadas en sitios específicos de una proteína determinada. Sin embargo, la falta de una teoría integral sobre el solvatocromismo vibracional y el electrocromismo ha impedido a los experimentadores interpretar de forma cuantitativa y precisa los resultados experimentales. Desde 2003, Cho ha contribuido al desarrollo teórico del solvatocromismo vibracional (J. Chem. Phys. 118, 3480 (2003)). Demostró que diversas interacciones intermoleculares, como la repulsión de exclusión de Pauli, la polarización y la dispersión, contribuyen de manera diferente a los cambios y fluctuaciones de frecuencia, y a menudo interfieren con la contribución de la interacción de Coulomb. Sus descripciones y métodos teóricos han sido aplicados a una variedad de sistemas moleculares y biológicos complejos por numerosos investigadores en el campo de la espectroscopia vibracional resuelta en el tiempo.
• Agua en entornos densos, percolación y enfoque basado en la teoría de grafos: El agua desempeña un papel vital en casi todos los fenómenos biológicos. No es solo un disolvente que disuelve biomoléculas en una célula, sino también un reactivo de reacciones bioquímicas y/o bloques de construcción que ayudan a las proteínas y membranas a mantener sus estructuras y funciones. Uno de los fenómenos más reconocidos es el efecto Hofmeister de los iones sobre la estabilidad de las proteínas en soluciones salinas acuosas. Cho y colaboradores han utilizado métodos espectroscópicos IR resueltos en el tiempo y la teoría matemática de grafos para investigar el impacto de los iones en la estructura y dinámica del agua, y han comparado los resultados experimentales con simulaciones de dinámica molecular. Se ha descubierto que los iones en soluciones con alta concentración de sal pueden formar grandes agregados, pero sus estructuras morfológicas tridimensionales pueden ser bastante diferentes entre sí (Ann. Rev. Phys. Chem. 69, 5.1-5.25 (2018)). Ciertos iones clasificados como iones caotrópicos tienden a formar grandes redes iónicas que pueden estar estrechamente entrelazadas con las redes de enlaces de hidrógeno del agua. Por otro lado, los llamados iones cosmotrópicos prefieren formar agregados cristalinos en una etapa temprana de prenucleación. Hemos investigado además las estructuras del agua y la dinámica rovibracional en soluciones altamente concentradas con polímeros y osmolitos, que imitan un entorno citoplasmático. Mediante el uso de múltiples sondas IR, por ejemplo, estiramiento OD de HDO, azido, etc., se han dilucidado los efectos de los polímeros y osmolitos concentradores en la estructura del agua. Sorprendentemente, existe una gran cantidad de agua incluso a concentraciones extremadamente altas de polímeros o osmolitos solubles en agua, lo que implica que el agua en el citoplasma se comporta de manera similar al agua a granel. De hecho, este hallazgo es importante porque sugiere que no existe agua biológica (excepto aquellas moléculas de agua en la superficie de los biopolímeros en una célula) que sea distintivamente diferente del agua a granel.
• Estudios de espectroscopia IR resuelta en el tiempo y simulación de dinámica molecular de soluciones salinas y baterías de iones de litio: La estructura y la dinámica de solvatación en soluciones salinas altamente concentradas son de fundamental importancia en la fisicoquímica de los electrolitos. Recientemente, estos electrolitos de sal en agua y agua en sal han recibido gran atención debido a sus potenciales aplicaciones en la próxima generación de baterías de iones de litio, más allá de los sistemas electrolíticos basados ​​en carbonatos orgánicos. Hemos utilizado métodos de bombeo-sonda IR, IR 2D y simulación de dinámica molecular para investigar las estructuras de las capas de solvatación alrededor de los iones de litio y sus procesos de transporte en soluciones altamente viscosas que contienen sales de litio casi saturadas.
• Microscopía de Dispersión Interferométrica: La microscopía óptica es una herramienta incisiva para dilucidar estructuras y funciones de materiales, incluyendo tejidos biológicos y células vivas. En las últimas décadas, hemos presenciado avances tecnológicos drásticos en microscopía óptica e imagenología basada en detección de fluorescencia. Mediante iluminación estructurada, se demostró experimentalmente la viabilidad de la imagenología de superresolución de sistemas biológicos. Sin embargo, estas técnicas de imagenología basadas en fluorescencia presentan problemas de fotoblanqueo y fotoparpadeo, lo que limita significativamente su amplia aplicación para el monitoreo de sistemas biológicos en tiempo real. Por ello, se han desarrollado diversas técnicas de imagenología óptica sin marcadores. Recientemente, una técnica de imagenología puramente óptica, basada en la medición precisa y exacta del campo de dispersión mediante un esquema de detección interferométrica, ha demostrado ser útil para obtener incluso la dinámica de proteínas individuales. Cho y colaboradores mejoraron recientemente su sensibilidad de detección modulando los estados de polarización de los campos incidente y dispersado, lo que permitió monitorear directamente la naturaleza anisotrópica y el movimiento rotacional de nanobarras de oro individuales en tiempo real. Esta técnica se denominó psiSCAT, abreviatura de microscopía de dispersión interferométrica selectiva por polarización. Además, se combinó un enfoque de enfoque remoto (RF) con psiSCAT, dando lugar a la microscopía de dispersión interferométrica de enfoque remoto (RF-iSCAT), para rastrear el movimiento de nanopartículas a lo largo de la dirección de propagación del haz. Posteriormente, esta microscopía de dispersión interferométrica se utilizó para obtener imágenes ópticas de subestructuras en células y organismos vivos. Asimismo, se demostró su excepcional utilidad en el estudio de aspectos morfológicos de la estructura de la membrana celular y la dinámica de adhesión focal en células vivas.
• Espectroscopia de peine de frecuencias y láser dual: Gracias a los rápidos avances en tecnología láser y electrónica, se dispone de diversos láseres ultrarrápidos en un amplio rango de frecuencias, desde terahercios hasta rayos X. Estos han impulsado el desarrollo de técnicas espectroscópicas vibracionales/electrónicas resueltas en el tiempo, que constituyen valiosas extensiones de la espectroscopia convencional de bombeo-sonda o, en general, de excitación-detección. A diferencia de la espectroscopia incoherente, que mide la transferencia y relajación de poblaciones, la espectroscopia no lineal coherente requiere un control preciso de las fases ópticas de los campos incidentes, que se codifican en estados de superposición molecular mediante una secuencia de interacciones coherentes campo-materia. Recientemente, se ha desarrollado un nuevo tipo de espectroscopia no lineal coherente que utiliza más de un láser de modo bloqueado, el denominado peine de frecuencias, cuyas frecuencias de repetición y desfase de la envolvente de la portadora se estabilizan mediante una frecuencia de reloj atómico de referencia estándar en el dominio de la radiofrecuencia. Dado que el escaneo con retardo temporal se realiza ópticamente, y no mecánicamente (por ejemplo, mediante una platina de traslación), resulta experimentalmente factible un escaneo con retardo temporal excepcionalmente rápido y preciso. Cho y colaboradores han demostrado, por primera vez, la espectroscopia de peine de doble frecuencia de cromóforos ópticos en solución, la absorción transitoria interferométrica y la espectroscopia electrónica bidimensional de doble láser de cromóforos, incluyendo bacterioclorofila y complejos captadores de luz. Estos novedosos enfoques allanarían el camino para futuros desarrollos de espectroscopia multidimensional totalmente controlada ópticamente y sin partes móviles.
• Dualidad onda-partícula, óptica cuántica e interferometría de fotones individuales con peine de frecuencias: Uno de los conceptos más contraintuitivos de la física cuántica es la idea de que los objetos cuánticos son complementarios, comportándose como ondas en algunas situaciones y como partículas en otras. Para establecer una base nueva y más cuantitativa, Cho y colaboradores (Sci. Adv. 7, eabi9268 (2021)) demostraron que se podían utilizar fuentes de fotones duales controladas con precisión para medir el grado de ondulación y partícula de un fotón. Más específicamente, las propiedades de la fuente del fotón influyen en su carácter de onda y partícula, un descubrimiento que complica y desafía la comprensión común de la complementariedad. Utilizando la novedosa "fuente bifotónica no lineal entrelazada (ENBS)", que involucra tanto un láser de peine de frecuencias de femtosegundos como un  láser semilla de onda continua excepcionalmente estrecho (< 1 Hz), pudieron establecer una relación de complementariedad cuantitativa entre los caracteres de onda y partícula de los fotones individuales. Además, mediante la construcción de una interferometría de Mach-Zehnder modificada con dos ENBS, demostraron la viabilidad experimental de la espectroscopia con fotones cuánticos entrelazados.
• Imagen vibracional sin marcadores. Microscopía fototérmica IR e imagen Raman de superresolución: La microscopía óptica es una técnica esencial en estudios biológicos y médicos de células, tejidos y organismos vivos. Mediante moléculas o proteínas fluorescentes que pueden incorporarse de forma específica a orgánulos y moléculas biológicas en una célula, se puede lograr una localización de alta resolución e incluso imágenes de superresolución más allá del límite de difracción. Sin embargo, las propiedades intrínsecas de los fluoróforos, como el fotoblanqueo y el fotoparpadeo, han limitado considerablemente sus aplicaciones en el seguimiento y la monitorización a largo plazo de sistemas biológicos. Como alternativa, se han desarrollado y utilizado ampliamente en estudios biomédicos técnicas de imagen vibracional sin marcadores basadas en la dispersión Raman anti-Stokes coherente (CARS) y la dispersión Raman estimulada (SRS). Recientemente, Cho y colaboradores demostraron experimentalmente que la imagen Raman coherente de superresolución podría ser posible utilizando un esquema con dos procesos SRS competentes, que fue propuesto teóricamente por Cho (JCP, 148, 014201 (2018). En principio, este enfoque es completamente diferente de los métodos anteriores utilizados para lograr la microscopía de fluorescencia de superresolución. Sin embargo, otra técnica de microscopía vibracional sin marcadores es la imagen fototérmica IR-vis (IPI), donde se utiliza un haz IR para excitar moléculas vibracionales y un haz visible para sondear la lente fototérmica transitoria creada. Cho y colaboradores desarrollaron una IPI y la utilizaron para visualizar la distribución de proteínas en células neuronales humanas y para rastrear el cambio en las concentraciones de proteínas durante todo el curso de la división celular en tiempo real.

• 2010: Miembro de la Academia Coreana de Ciencia y Tecnología ^{[ 4 ]}
• 2002–2009: Miembro Junior de la Academia Coreana de Ciencias y Tecnología.
• 1996–presente: Miembro permanente de la Sociedad Química Coreana.
• 1996–presente: Miembro de la Sociedad Química Estadounidense.

• 2019–presente: Consejo Asesor Editorial, Ciencias Aplicadas
• 2019–presente: Consejo Asesor Editorial, The Journal of Physical Chemistry A
• 2016–presente: Consejo Asesor Editorial, Spectrochimica Acta Parte A
• 2016–presente: Consejo Asesor Editorial, Biomedical Spectroscopy and Imaging
• 2015–2017: Consejo Asesor Editorial: The Journal of Chemical Physics ^{[ 5 ]}
• 2013–presente: Consejo Asesor Editorial, Chirality
• 2010–2011: Editor académico, AIP Advances
• 2007–presente: Consejo Asesor Editorial, Física Química
• 2000–2003: Consejo Asesor Editorial, PhysChemComm

• 2023: Premio a la Excelencia Académica, Sociedad Química Coreana ^{[ 6 ]}
• 2022: Simposio Nobel (NS 173), Real Academia Sueca de Ciencias , Suecia
• 2022: Profesor Guthikonda (Universidad de Columbia, EE. UU.)
• 2021: Premio Toray de Ciencias de Corea ( 한국도레이 과학상 ), Toray-Corea
• 2019: Seok-Top, Profesor Titular, Universidad de Corea
• 2018: Seok-Top Profesor, Universidad de Corea ^{[ 7 ]}
• 2017: Seok-Top, Profesor, Universidad de Corea
• 2017: Premio de Química Física, Sociedad Química Coreana ^{[ 8 ]}
• 2013: Seok-Top, Profesor Titular, Universidad de Corea
• 2012: Seok-Top Profesor, Universidad de Corea ^{[ 9 ]}
• 2012: Premio de la Academia Nacional de Ciencias ^{[ 10 ]}
• 2012: 100 personas que brillarán en Corea en 10 años, Dong-A Ilbo ^{[ 11 ]}
• 2011: Premio de la Academia Coreana de Ciencia y Tecnología ^{[ 12 ]}
• 2010: 100 Representantes de la Excelencia, Fundación Coreana de Investigación
• 2010: Premio Kyung-Ahm , Fundación Kyung-Ahm ^{[ 13 ]}
• 2009: Científico del mes , Fundación Nacional de Investigación de Corea ^{[ 14 ] [ 15 ]}
• 2009: Seok-Top, Profesor Titular, Universidad de Corea
• 2005: 50 Representantes de la Excelencia, Fundación Coreana de Investigación
• 2000: Premio al Joven Investigador, Pacifichem, Sociedad Química Estadounidense.
• 2000: Profesor Shonan en la Universidad de Posgrado para Estudios Avanzados , Hayama, Japón.
• 1999: Premio Chevening Británico, British Council , Seúl, Corea.
• 1999: Premio al Joven Científico , Academia Coreana de Ciencia y Tecnología ^{[ 16 ] [ 17 ]}
• 1995: Premio Nobel de Química, Sociedad Química Estadounidense
• 1994: Premio Marc P. Galler, Universidad de Chicago
• 1992: Beca William R. Harper , Universidad de Chicago
• 1989–1992: Beca del Gobierno de Corea, Ministerio de Educación de Corea ^{[ 18 ]}

• Centro IBS de Espectroscopia y Dinámica Molecular, Universidad de Corea
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