¿Qué es la radiación sincrotrónica y para qué sirve? Parte II

Las nuevas generaciones

Cuando se hizo evidente que los usos de la radiación sincrotrón merecían un acelerador por derecho propio, se desarrollaron aceleradores más eficientes con el objetivo específico de aprovechar al máximo las ventajas de dicha radiación. El laboratorio de radiación sincrotrónica de Daresbury, en el Reino Unido, fue inaugurado en 1981 con este objetivo en mente. El autor de este artículo tuvo la fortuna de trabajan en su cercanía alrededor del año 2000, cuando este laboratorio seguía aún en operación. Casi en paralelo se inauguraron laboratorios de radiación sincrotrónica para la producción de rayos ultravioleta y rayos X  en los Estados Unidos (NSLS, Brookhaven), Europa (BESSY, Berlín) y en Japón (Photon Factory). Estas fuentes de radiación, diseñadas exprofeso para el estudio de la interacción de la luz con la materia constituyen la “segunda generación” de fuentes de radiación sincrotrónica. Avances ulteriores en el diseño de imanes deflectores, arreglados ingeniosamente de forma periódica, así como de óptica optimizada para su uso en el ultravioleta y los rayos X llevaron al desarrollo de fuentes cada vez más brillantes y especializadas, que constituyen las fuentes de “tercera generación”. Estas fuentes se caracterizan por el uso de “elementos de inserción”, que, como se mencionó arriba, consisten en un arreglo periódico de imanes de campo magnético intenso. La periodicidad del campo magnético se arregla de tal manera que los electrones realicen un vaivén bien sincronizado que permite, por efectos de interferencia constructiva, crear pulsos de luz muy cortos y muy intensos (ver figura 1). En cada punto de inflexión de esta trayectoria ondulante los electrones emiten radiación sincrotrónica. Estos laboratorios de  tercera generación (figura 2) han sido inaugurados en la década pasada, y su número empieza a ser tan grande que es difícil enumerarlos en su totalidad. Podemos mencionar el “Advanced Light Source”, en Berkeley, California, inaugurado en 1994, y el laboratorio “Elettra” en Trieste, Italia, puesto en marcha el mismo año, como ejemplos representativos. El sincrotrón que podría construirse en Morelos sería de una generación que podría denominarse 3.5, dado que incorporaría la mayor parte de los desarollos madurados en la tercera generación, pero alcanzaría una brillantez aún mayor. Para dar un ejemplo al lector de cuán brillante es un sincrotrón, baste mencionar que el ALS en Berkeley produce en el rango del ultravioleta, una brillantez mil millones de veces más intensa que el sol en el rango de los rayos X. Esa brillantez permite “iluminar” proteínas y crear un contraste suficiente para poder determinar su estructura y su dinámica (figura 3). Gracias a este tipo de herramientas se pudo conocer, por ejemplo, la estructura de la hemoglobina, que es la proteína que se encarga en este mismo momento de llevar el oxígeno de los pulmones a todas las células de nuestros amables lectores, mientras leen estas líneas.   La evolución de las fuentes de radiación sincrotrón no parece detenerse. La necesidad de radiación coherente, de mayor intensidad y de corta duración han llevado a fuentes del luz sincrotrón capaces de generar pulsos con duraciones de una milésima de millonésima de millonésima de segundo (i.e., de femtosegundos). Para ilustrar lo corto que es este tiempo, baste mencionar que  un femtosegundo comparado con el tiempo que toma un corazón humano en latir (aproximadamente un segundo) es mil veces más pequeño que un latido de corazón comparado con la edad del universo. Estas  fuentes son de “cuarta generación” y actualmente hay unas cuantas a nivel mundial. Si el lector se pregunta por qué demonios es necesario generar pulsos tan cortos, baste mencionar que la hemoglobina de la que hablábamos líneas arriba, y de la cual depende la vida de todos los lectores de este artículo, captura el oxígeno y se mueve y actúa justamente en la escala de femtosegundos. ¿Cómo sabemos lo anterior? Justamente con fuentes de luz tan rápidas que nos permiten ver proteínas como la hemoglobina moverse en tiempo real.  Estas nuevas fuentes basaran su operación en la radiación producida por electrones libres que oscilan coherentemente (“free electron lasers”) estimulados por la radiación emitida por otros electrones dentro de la fuente. Basados en el gran éxito que las fuentes anteriores han tenido en distintas ramas aplicadas y fundamentales, es de esperarse una nueva generación de desarrollos científicos y tecnológicos, como resultado del desarrollo de estas nuevas fuentes de radiación sincrotrón.

Usos de la radiación sincrotrónica.

Presentamos aquí una lista de ejemplos, que de ninguna manera es exhaustiva, sobre algunas aplicaciones de radiación sincrotrón en ciencia de materiales, biología, ciencia de superficies y otras áreas.

1. Caracterización de esfuerzos de tensión y esfuerzo en las uniones de alas de aviones. La distribución de esfuerzos en las juntas de alas de avión puede ser observada gráficamente usando rayos X suaves. Esto es porque la separación, a nivel atómico, de los átomos que componen el metal varía dependiendo de los esfuerzos. Al difractarse los rayos X de manera distinta en distintas regiones, se obtiene un mapa de esa distribución de esfuerzos.
2. Estudio de la estructura de proteínas de importancia biológica, como la hemoglobina y la insulina mediante difracción de rayos X . Dado que la longitud de onda de los rayos X es del mismo orden que la separación de átomos en una proteína, estos se difractan. Haciendo un análisis matemático de los rayos difractados es posible inferir la estructura de este tipo de componentes de gran importancia en los seres vivos.
3. Estudio de fotoionización, disociación, recombinación de moléculas y radicales libres de importancia atmosférica (O₂, O₃, SO₂, NO, N₂O, NO₂). La interacción de la luz ultravioleta del sol con las moléculas presentes en la atmósfera superior da lugar a una rica fotoquímica de gran importancia para la vida del planeta. Simular este tipo de dinámica química en el laboratorio usando luz sincrotrón ha sido uno de los más grandes logros en el estudio de la atmósfera de nuestro planeta.
4. Caracterización de propiedades ópticas y de polarización en cristales líquidos. Este tipo de materiales ha cobrado gran relevancia tecnológica en los últimos años, como ilustra su uso en pantallas de componentes electrónicos y computadoras portátiles. A un nivel más avanzado, los cristales líquidos se pueden emplear para generar pulsos de luz con formas diseñadas a voluntad, controlando la propagación selectiva de ondas de frecuencias distintas.

Comentarios finales

El desarrollo de las fuentes de radiación sincrotrónica nos proporciona un ejemplo clásico de cómo la investigación básica puede convertirse en una serie de aplicaciones en el campo tecnológico y de investigación fundamental. Esta evolución no es exclusiva de la radiación sincrotrónica. Al contrario, es una característica común en muchas áreas de investigación básica en física, el iniciar como un ejercicio motivado por la curiosidad, y desembocar en aplicaciones insospechadas. Estas aplicaciones y desarrollos tecnológicos modifican profundamente la manera en que vivimos, nos comunicamos, nos transportamos y,  más aún, entendemos el mundo físico que nos rodea. En este sentido, la inversión que los gobiernos estatales o federales hagan para fomentar a la ciencia básica tiene un impacto profundo  en las sociedades que la fomentan. En este contexto, el anuncio del estado de Morelos de su deseo de apoyar la creación de un laboratorio de luz sincrotrón es más que bienvenido. Como comentario final, vale la pena mencionar que en México existen alrededor de 200 usuarios activos de fuentes de luz sincrotrónica.  Dado que en México  no hay aún una fuente de este tipo, estos usuarios, científicos de excelente nivel, compiten a nivel internacional con otros colegas para tener acceso a esas máquinas. Sería un avance genial si, habiendo tal número de gente interesada en estos estudios basados en luz sincrotrónica, y teniendo los recursos y la capacidad de construir un sincrotrón en Morelos, éste se convirtiera en una realidad. Sencillamente, el cambio en la ciencia en México sería radical: Representaría nuestra capacidad como comunidad para emprender proyectos de alto nivel y de alta complejidad para generar conocimiento e innovación. Esa capacidad es la base de las economías basadas en el conocimiento. Personalmente creo que podemos crear y merecemos tener ese tipo de sociedades en México y en Morelos.

Artículo publicado originalmente “¿Qué es la radiación sincrotrónica y para qué sirve? Parte II” en el periódico Unión de Morelos por miembros de la Academia de Ciencias de Morelos A.C.