jueves 20/1/22

Sincrotrón: aplicaciones científicas con luz propia

Sobre cómo se obtiene luz a medida y muy brillante a partir de electrones en movimiento, al grito de “acelerad, acelerad, malditos” 

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La luz es imprescindible para nuestra vida diaria, pero puede ser aún más clave para resolver los grandes retos científicos que la humanidad vislumbra en el horizonte. Prueba de ello fue la declaración que hizo la Organización de las Naciones Unidas (ONU) el 20 de diciembre del 2013 a favor del desarrollo de la vida y del bienestar humano, proclamando 2015 como el Año Internacional de la Luz y sus aplicaciones tecnológicas. Este anuncio tuvo como objetivo expreso concienciar a la sociedad de la importancia de la luz como fuente de energía y de sus tecnologías asociadas. Los cambios tecnológicos y científicos de las últimas décadas han sido extraordinarios.En este contexto, la luz ha revolucionado, entre otras especialidades, la medicina, a través de distintos instrumentos y aparatos, pero también ha posibilitado el desarrollo de Internet, haciendo posible una plétora de bienes y servicios a nuestro alcance. Por el contrario, basta imaginar las múltiples molestias que nos causaría en nuestro día a día no disponer de luz eléctrica quedándonos, por ejemplo, sin correo electrónico, prensa digital y gestiones administrativas. Expertos en el tema han resumido textualmente: “No obstante, la luz constituye un fenómeno complejo de entender desde un punto de vista científico, y así lo ha mostrado la historia de la ciencia al retrasar el consenso científico sobre su naturaleza hasta principios del siglo XX”. A su vez, la luz es un elemento que pone en conexión múltiples facetas del conocimiento y la tecnología desarrollados por el ser humano (física, química, biología, astronomía, ingeniería, arte…). El consenso también aboga por entender la luz como fuente de energía, ya que sabemos que la energía se transforma en otra forma de energía o es capaz de realizar un trabajo. A continuación, voy a narraros el poder de la luz de sincrotrón.

La ciencia de materiales es un campo multidisciplinar dedicado al estudio de las propiedades macroscópicas y microscópicas de los materiales, y se aplica para la obtención de actividades, máquinas y herramientas o convertidos en productos necesarios para satisfacer las necesidades de la sociedad. Históricamente, la modernización de la sociedad ha conllevado mejoras en la producción y análisis de los materiales. Pero claro está, ha llovido mucho desde las primeras civilizaciones y épocas como la Edad de Piedra, la Edad del Cobre, la Edad de Bronce o la Edad del Hierro. El paso de una edad a la siguiente ha venido asociado a un mayor (y más complejo) grado de conocimiento y tecnificación. Aun así, no fue hasta los últimos 200 años aproximadamente, que los científicos llegaron a comprender la importancia de la relación entre los elementos estructurales de los materiales y sus propiedades o aplicaciones. Y ha sido este salto en el conocimiento que nos ha capacitado para modificar o adaptar (si cabe aún más) las características de los materiales de los que disponemos. En este contexto, y según se extrae de afirmaciones como la de Edward Mitchell, el descubrimiento y uso de la radiación o luz de sincrotrón ha jugado un papel mucho más que destacable. Para este responsable de Desarrollo de Negocio de European Synchroton Radiation Facility, la caracterización de los materiales utilizando el sincrotrón tiene grandes ventajas como la rapidez, la mejora de la resolución espectral, una mayor penetración y un límite de detección mucho mayor.

Pero ¿qué son los sincrotrones? Pues bien, los sincrotrones se originaron como construcciones altamente especializadas para la aceleración de partículas elementales a altísima velocidad con el objetivo de estudiar su comportamiento una vez se hacían chocar entre ellas. Aun así, posteriormente, se observó que el hecho de mantener por ejemplo electrones en una trayectoria circular permite dotarlos de más velocidad y energía que en los aceleradores lineales. En este punto, es probable que a uno le venga a la memoria la película “Danzad, danzad, malditos” dirigida por Sydney Pollack en 1969, en la que sus protagonistas, unos jovencísimos y desesperados Jane Fonda y Michael Sarrazin, participaban en una maratón de baile con la esperanza de ganar el premio final de 1.500 dólares de plata y encontrar, al menos, un sitio donde poder dormir y comer. Mientras los concursantes fuerzan los límites de su resistencia física y psíquica, una multitud morbosa se divierte contemplando su sufrimiento durante días. He ahí un gran parecido con los electrones “sudando la gota gorda” mientras giran sin parar dentro de la instalación sincrotrón.

Históricamente, la radiación de sincrotrón se descubrió en 1947. Cuando los electrones, moviéndose a velocidades cercanas a la de la luz, son desviados (que significa sometidos a una aceleración centrípeta) emiten un haz de radiación electromagnética en dirección tangencial a su trayectoria. Cabe destacar que las propiedades de esta radiación resultan altamente satisfactorias desde el punto de vista físico: su espectro es continuo, se extiende desde el infrarrojo y visible hasta los rayos X, y tiene unas características muy similares a los haces de radiación láser. Además, la radiación que se genera es tan intensa que la luz de rayos X de sincrotrón supera en más de mil veces la intensidad de una lámpara convencional de rayos X de las usadas para realizar radiografías convencionales. Sus singularidades hicieron pensar en la posibilidad de utilizarla para llevar a cabo estudios experimentales muy diversos, especialmente, los relacionados con la estructura cristalina y molecular de materiales minerales, biológicos o sintéticos, lo que se empezó a llevar a cabo a principios de la década de los 60s. Los sincrotrones de segunda generación, diseñados específicamente para aprovechar la radiación de sincrotrón, se construyeron a finales de la década siguiente. Los de tercera generación, como el que podemos disfrutar la comunidad científica aquí en Cataluña, ya han sido especialmente ideados y construidos con el fin de conseguir que los haces de luz resulten si cabe aún más intensos y totalmente paralelos entre sí.

Brevemente, existen aproximadamente cincuenta sincrotrones en todo el mundo, veinte de los cuales se encuentran en Europa. Desde su puesta en marcha, por ejemplo, el de Grenoble (Francia) en 1922, se ha constatado que, además de un destacable crecimiento en el número de investigaciones o estudios científico-técnicos tanto a nivel básico como aplicado, los sincrotrones generan una gran capacidad de atracción y creación de industrias relacionadas con tecnologías avanzadas a su alrededor. En definitiva, todo un ejemplo de sinergia entre tejido industrial y centros de investigación de alto nivel. 

En particular, ALBA es el único sincrotrón con sede en España y está situado en Cerdanyola del Vallés, muy cerca de la Universidad Autónoma de Barcelona.Su construcción fue cofinanciada por el Gobierno de España y la Generalitat de Catalunya, también con el objetivo de añadir valor al tejido científico e industrial. Curiosamente el nombre de ALBA para esta gran instalación científica no se escogió al azar. Fue elegido porque su puesta en funcionamiento debía significar el paso de la oscuridad a la luz, como si de una metáfora se tratara: se esperaban unos resultados brillantes como así ha sido. El sincrotrón ALBA es capaz de generar más de 6.000 horas de luz sincrotrón al año, de forma continua las 24 horas del día, los siete días de la semana.

Pero ¿cómo funciona el sincrotrón ALBA? El sincrotrón ALBA es una fuerte de tercera generación debido a que utiliza sistemas magnéticos muy sofisticados que suministran una luz a medida y de gran brillo o potencia. Concretamente, consiste en un acelerador lineal, un anillo propulsor y otro anillo de almacenamiento. En su interior se generan electrones procedentes de un metal que se calienta. En un primer paso, estos electrones se aceleran en el acelerador lineal. En el propulsor, los electrones son acelerados a prácticamente la velocidad de la luz. Finalmente son introducidos dentro del anillo de almacenamiento donde se mantienen dando vueltas (aproximadamente un millón de vueltas cada segundo). Cuando los electrones circulan por campos magnéticos emiten de forma espontánea luz de sincrotrón y, al hacerlo, pierden energía. Esta energía emitida por los electrones es enviada a las denominadas líneas de luz. En estos dispositivos o cabinas específicas se selecciona la luz la longitud de onda más adecuada para cada tipo de experimento que quiere realizarse mediante un monocromador o dispositivo óptico que sirve para medir la composición de la luz. Dentro de cada cabina existe un detector capaz de captar la interacción de la muestra analizada con la luz y, finalmente, se procede a la recogida, almacenaje y análisis de los datos obtenidos. Actualmente en ALBA existen ocho líneas de luz funcionando y se han previsto tres más ahora mismo en construcción.

En su conjunto, las aplicaciones que se benefician de la luz de sincrotrón son muchas y pueden clasificarse dentro de los siguientes campos de estudio: biología y biomedicina, nanotecnología, patrimonio artístico e histórico, medio ambiente, ciencias de los materiales, física y química. Vamos a poner algunos ejemplos de estudios realizados gracias a la aplicación de la luz sincrotrón. En 2014 investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas de Catalunya, la Universidad Politécnica de Cataluña y de la Universidad de Glasgow publicaron en la revista científica internacional Acta Crystallografica Dlos resultados obtenidos en ALBA con un nuevo fármaco contra la malaria. A partir del estudio de la imagen en 3D de la estructura cristalina de un complejo de ADN y el fármaco denominado CD27, los investigadores demostraron con la luz de sincrotrón y un complejo análisis matemático la eficiencia de este medicamento contra la malaria. Exactamente la molécula del fármaco cubre por completo la grieta menor de una zona del ADN, y evita así el desarrollo normal del parásito y provoca su muerte. De esta forma la investigación ha permitido avanzar en los mecanismos de actuación de esta clase de compuestos y puede contribuir significativamente al desarrollo de nuevos fármacos más efectivos contra el parásito responsable de la malaria, una enfermedad que causa más de un millón de muertes al año, y otros similares del género Trypanosoma que en África produce la enfermedad del sueño y la enfermedad de Chagas. 

La industria agroalimentaria es otro de los sectores que puede servirse de las aplicaciones de la luz de sincrotrón, como es el caso del desarrollo de semillas de cultivo mejoradas gracias a la visualización en 3D de su interior. De este modo se observó la existencia dentro de las semillas de una red de espacios entre las células capaz de almacenamiento del oxígeno necesario para una germinación mucho más rápida y eficiente. La mejora del pan, helados y grasas son otros de los desarrollos promovidos con el sincrotrón. Como muestra, una investigación trató de conocer qué sucede en el interior del pan durante el proceso de fermentación en el horneado. La reformulación del helado mediante rayos X a baja temperatura también mostró la estructura microscópica del helado, básicamente cristales de hielo y burbujas de aire. Esta estructura mostraba variaciones entre muestras de helado muy frío y otras que habían sufrido grandes descensos de temperatura. Así, esta investigación se centra en mejorar las propiedades del helado para que no se deshaga tan rápido y otorgarle una vida útil más larga. Por último, se están buscando grasas saturadas en la estructura de varios alimentos con el objetivo de reducirlas o sustituirlas mediante el uso de rayos X de pequeño ángulo.

Por otro lado, el estudio de nuevos materiales, como por ejemplo los skyrmiones o vórtices nanomagnéticos, es fundamental para seguir optimizando la velocidad y capacidad de nuestros dispositivos electrónicos. En este sentido, en 2015, un equipo científico de la Universidad de Oviedo y del Centro de Investigación en Nanomateriales y Nanotecnología, en colaboración con investigadores de la Universidad de Oporto, de la instalación sincrotrón ALBA y del Centro Nacional de Microelectrónica de Barcelona, consiguió analizar en detalle mediante rayos X las características a escala nanométrica de estas estructuras magnéticas, con el objetivo de mejorar las prestaciones de la próxima generación de discos duros.

Por último, ¿que nos depara el futuro en cuanto a nuevas aplicaciones del sincrotrón en el campo de la biomedicina? La medicina regenerativa es otra de las áreas de conocimiento que ha puesto grandes expectativas en la capacidad de este tipo de instalaciones para abordar algunos de sus mayores retos. Es el caso del tratamiento de algunas enfermedades o afecciones como el infarto de miocardio, que es todo un desafío en la actualidad más allá del trasplante de corazón, debido en gran medida al escaso número de donantes. Esta afectación provoca un alto grado de necrosis o muerte de los tejidos del corazón, que pasan a ser sustituidos por un tejido cicatricial más rígido y no contráctil. Es por ello que hay una necesidad de nuevas terapias, incluidas aquellas centradas en promover la formación de nuevo tejido cardíaco funcional. Así, debido a su mayor resolución y rapidez, el sincrotrón podría satisfacer las necesidades de los equipos de investigación en poder analizar de forma más precisa la estructura y propiedades de la cicatriz cardíaca postinfarto o diseñar nuevos injertos o bioimplantes con mayor capacidad regenerativa.

En conclusión, un sincrotrón es un tipo muy particular de acelerador de partículas circular de grandes dimensiones en el que el campo magnético que hace que las partículas giren y el campo eléctrico que las acelera están perfectamente sincronizados con el haz de partículas en movimiento. Los aproximadamente cincuenta sincrotrones esparcidos por todo el mundo constituyen una red de sistemas altamente tecnológicos y muy eficientes capaces de conseguir que partículas microscópicas como los electrones sean acelerados a velocidades cercanas a la de la luz. Cuando llevan a cabo su recorrido, los electrones emiten un tipo de luz muy particular, la luz de sincrotrón que sirve para estudiar la materia a escala atómica y molecular. De este modo, gracias a la aplicación de luz de sincrotrón, se pueden hacer experimentos para comprobar múltiples retos científicos como es el caso del estudio de la eficacia de nuevos medicamentos, nuevas formas o métodos para aumentar la memoria de ciertos dispositivos electrónicos, o descubrir cómo eran, de gruesas, las capas de pintura con la que Leonardo da Vinci pintó “La Gioconda”, su obra más célebre. 

*Santiago Roura, Doctor en Bioquímica e Investigador del Institut del Cor del Germans Trias i Pujol (Badalona)

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