Gigantes de la Ciencia El sincrotrón Alba: luz para observar los átomos

En este episodio de Gigantes de la Ciencia nos vamos muy cerca de Barcelona para visitar el sincrotrón Alba, una fuente de rayos X concentrados que nos permiten desvelar los secretos de los átomos

Aunque no lo creas, para observar lo más pequeño, para desvelar los misterios de la materia y descubrir el comportamiento de los átomos que forman todo lo que existe, hacen falta instrumentos muy grandes. Bienvenidos al sincrotrón Alba.

Esta enorme instalación en forma de donut está en Cerdanyola del Vallés, junto a la Universidad Autónoma de Barcelona. El complejo alberga un acelerador de partículas subatómicas. En otros aceleradores, el objetivo es hacer colisionar a las partículas para estudiarlas. Sin embargo, la principal misión del alba es producir luz, pero no luz visible, normal, sino luz de sincrotrón: rayos X de alta intensidad.

Nos lo explica Josep Nicolas, miembro de la dirección de Alba y encargado de nuevas líneas de luz. “Nosotros utilizamos el acelerador de partículas esencialmente para generar rayos X. ¿Y por qué son estos importantes? Pues porque con los rayos X se pueden analizar muchas cosas de la materia, tanto la estructura, a través de técnicas típicas de difracción, como por espectroscopia”.

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La luz, incluida la luz visible, es una onda electromagnética. Cuando estas ondas rebotan en los objetos y llegan a nuestros ojos, podemos ver. Pero la luz visible no sirve para observar cosas que sean más pequeñas que su longitud de onda. Por ejemplo, no podemos ver un virus con un microscopio óptico porque es demasiado pequeño. Hace falta un microscopio electrónico, ya que la longitud de onda de los electrones es mucho más pequeña que la de la luz visible. ¿Pero, y si queremos ver lo que ocurre en un átomo? Pues necesitamos una fuente de luz con una longitud de onda que sea tan pequeña como el átomo. Necesitamos rayos X.

Josep Nicolas establece una comparación: “Las cosas son de colores distintos en el rango de los rayos X. Nosotros vemos distintos colores para distinguir, por ejemplo, frutas verdes de frutas maduras. Los rayos X son un poco la misma idea, pero llevada al extremo. Puedes llegar a ver si un material está oxidado o no está oxidado, o incluso con qué valencia está combinado con otros materiales. Esencialmente es una herramienta analítica para ver estructura a nivel atómico y la función a nivel atómico de toda la materia que nos rodea y de la que están hechas las cosas”.

Vista del área experimental con las líneas del sincrotrón Alba. Foto: Wikimedia Commons

Visto de esta forma, la enorme infraestructura del sincrotrón Alba funciona como un gigantesco microscopio para observar los componentes fundamentales de la materia, pero para Nicolas la comparación no es muy exacta, porque en realidad no se llegan a “ver” los átomos. “No es una imagen directa, pero sí que nos permite ver o conocer lo que pasa dentro del átomo en la materia. Más que dentro del núcleo del átomo, la estructura electrónica del átomo. Y efectivamente vemos tanto estructura, es decir, cómo se disponen los átomos y las moléculas (y cosas más grandes como fibras), y cómo funcionan. Como cuando se combinan átomos, vemos qué está pasando con los electrones que empiezan a compartir estos distintos átomos”.

Josep Nicolas, miembro de la dirección de Alba y encargado de nuevas líneas de luz

Las aplicaciones de esta tecnología son inabarcables: “Esto tiene utilidad en todo: en biología, porque al fin y al cabo estamos hechos de átomos. en magnetismo y en dispositivos electrónicos, porque están hechos de átomos. En plásticos, en baterías. Al fin y al cabo, lo que nos permite la radiación de sincrotrón es ver el detalle pequeño de la materia de la que estamos hechos nosotros. No estamos estudiando cosas que no existan en la vida cotidiana”, afirma Nicolas.

Una tubería circular

El sincrotrón Alba es una tubería circular de 270 metros de perímetro. Aquí los electrones se aceleran a velocidades cercanas a la de la luz, empujados por poderosos imanes. Cuando eso ocurre, empiezan a emitir rayos X de muy alta potencia. Las “líneas” son aberturas en el circuito del sincrotrón por el que sale un haz muy concentrado de rayos X. Esos rayos se canalizan para hacerlos incidir sobre las muestras que se están estudiando.

“Puede parecer un poco complicado, pero es lo mismo que hace una antena la antena del móvil”, aclara Nicolas. “Al final lo que tienes es un conductor que en su interior tiene electrones y cuando perturbamos estos electrones en la antena, emite ondas electromagnéticas, en este caso de ondas de radio o de microondas. Aquí hacemos lo mismo, pero la perturbación es más violenta, y la radiación que se genera no son ondas de radio o microondas, sino que son típicamente rayos X.

Para entender la diferencia de energía de estos rayos X, Jordi Marcos, físico jefe de la sección de imanes en la División de Aceleradores de Alba, hace una sencilla comparación: “Por ejemplo, en una pila normal AA para la radio, si un electrón viaja de un polo al otro, generaría una energía de 1,5 voltios, que es lo que la diferencia de potencial entre los dos polos de la pila. Aquí, en vez de 1,5 voltios, aceleramos los electrones hasta una energía equivalente de 3.000 millones de voltios”. Jordi Marcos bromea con el consumo eléctrico de la instalación: “Creo que la potencia máxima que consumimos es de unos 3 MW, y en estos tiempos que corren esto está empezando a ser un problema, incluso a nivel a nivel europeo. Una parte importante de nuestro presupuesto es la factura eléctrica”.

A pesar de las muchas aplicaciones que tienen los experimentos que se realizan allí, el sincrotrón Alba es una infraestructura singular dedicada a la ciencia básica: “Lo primero que queremos hacer es conocer cómo funcionan las cosas. Cuando conoces cómo funcionan las cosas, puedes inventar otras cosas con ellas”, afirma Josep Nicolas. “Estamos haciendo cristalografía de proteínas, lo utilizamos para saber qué forma tienen las proteínas. Por métodos bioquímicos puede sacar la secuencia de aminoácidos que constituyen la proteína, pero para ver la estructura, la forma física de la proteína, la puedes determinar mediante experimentos que se hacen en el sincrotrón, en líneas de difracción de proteínas”.

Cristalografía de proteínas. Foto: Cell

Conocer la estructura tridimensional de las proteínas, y no solamente su composición, es crucial: “Típicamente, la forma de estas proteínas es la que les da la función. Al fin y al cabo, son como mecanismos que van encajando unos con otros”, aclara Nicolas. Pero esa es una sola de las aplicaciones del Alba. “Por ejemplo, puedes medir en memorias magnéticas el tamaño más pequeño de un bit en un disco duro. Es el tamaño más pequeño, un dominio magnético. Aquí estudias cómo distintos materiales se distribuyen en dominios magnéticos y puedes ver qué materiales generan dominios más grandes o dominios más pequeños, o permiten cambiar los dominios de manera más rápida para que nuestros dispositivos electrónicos que usamos sean más rápidos cada vez y contengan más memoria en menos espacio”.

Cuatro días de luz de sincrotrón

Precisamente una de las líneas de investigación más interesantes dentro de los muchos experimentos que se llevan a cabo en Alba, es el estudio de los materiales para baterías que tienen la clave para la suficiencia energética en el futuro. “Aquí estudiamos qué le pasa a una batería cuando la cargas y la descargas. Sabemos de que los móviles, los coches y todas las baterías, con el tiempo dejan de cargarse. ¿Por qué pasa esto? ¿Cuál es el proceso químico dentro de la propia batería que hace que pierda su eficiencia, que con los ciclos de carga y descarga se vaya perdiendo capacidad?”, plantea Nicolas.

La investigadora que puede aclarar estas dudas es Laura Simonetti, científica responsable de la línea de luz CLAESS. “Toda la comunidad de las baterías intenta acceder a la ‘Solid Electrolyte Interface’, una película muy fina que se forma entre el electrodo y el electrolito. Conseguir manipular, optimizar esta capa es de grandísimo interés, y también entender cómo funcionan los procesos químicos en esta capa tan delgada, que típicamente es de unos pocos nanómetros, es fundamental». Llegar a observar lo que ocurre en algo tan pequeño no sería posible sin el sincrotrón, explica Simonetti: «Esta es una técnica de sincrotrón que es súper poderosa porque puede dar acceso a cualquier tipo de elemento que sea cristalino, líquido, gaseoso o amorfo. Permite tener acceso a ver acceso a la estructura electrónica de los materiales, el estado de oxidación, la especie química o acceder a los detalles de la estructura alrededor de un átomo. Esta estructura local permite el acceso a la comprensión de porqué pasan las cosas. Y es una técnica que necesita el sincrotrón porque funciona cambiando de manera continua la energía de los fotones. Hace falta una alta intensidad que no es posible con con un simple espectrómetro de laboratorio”.

Laura Simonetti y Carles Lluna

El sincrotrón Alba fue inaugurado en 2010 y desde entonces se ha puesto al servicio de la investigación tanto nacional como internacional. Hay un proceso de selección muy exigente que depende de un comité independiente, que asigna a los mejores proyectos un número de horas para poder trabajar en Alba. Cuando un equipo de científicos consigue una línea, empieza una carrera contrarreloj para sacar el máximo partido a esta instalación.

“La mayoría de nuestros usuarios son investigadores de del CSIC de las universidades, tanto españolas como extranjeras. Las nuestro es una national facility, es decir, esencialmente servimos a la comunidad española, pero en realidad nos llegan propuestas de todo el mundo. Luego hay una parte que es relativamente pequeña, que es industria. Los usuarios hacen una propuesta del experimento que van a hacer y tienen que competir con otros usuarios porque no hay suficiente tiempo para hacer todas las propuestas. Sólo se hacen las que un panel, un jurado internacional, decide que son las mejores, se hace un ranking y pasan las primeras”, explica Nicolas. En el caso de los experimentos de los clientes industriales, tienen que pagar por el uso de Alba.

El trabajo en el sincrotrón es frenético, como explica Carles Lluna, investigador postdoctoral del Instituto de Tecnología Química en Valencia “Nuestro centro está especializado en la catálisis, en el desarrollo de sistemas heterogéneos para llevar a cabo reacciones químicas de una manera más sostenible. Y esto es aplicable tanto en el tema de baterías como en reacciones de crackeo de la gasolina. Tienen muchas aplicaciones dentro de la sostenibilidad”. Para sus experimentos, disponen de una de las líneas durante cuatro días. “Nosotros llegamos el lunes, previamente habíamos preparado los materiales en nuestra institución y luego intentamos aprovechar al máximo el tiempo de medida, y hacemos turnos de 12 horas. Somos cuatro compañeros, así que cada uno hace 12 horas, unas 67 horas de medida. Pasamos las 24 horas del día midiendo, claro, hay que aprovechar al máximo una instalación así”.

Durante los experientos, el sincrotrón Alba prácticamente no descansa. Los electrones, una vez acelerados, se mantienen dando vueltas constantemente en un anillo de almacenamiento. Eso sí, cada cuatro o cinco semanas se detiene la operación para hacer mantenimiento, y sólo entonces podemos acceder a su interior. Cada una de las líneas del sincrotrón es un pequeño universo de conductos, espejos, sensores y brazos robóticos que se monta y se desmonta en unos pocos días. Los secretos de la materia salen a la luz bajo el fino haz de rayos X.

El Alba del futuro

Preguntamos a Josep Nicolas por sus experimentos favoritos: “A mí hay una técnica que me gusta mucho, que es la tomografía de células. Igual que cuando vas al hospital y te hacen una tomografía y ves el interior de tu cuerpo con un TAC, nosotros aquí podemos hacer TAC de células individuales, y eso tiene gracia, porque las cosas que has estudiado de pequeño, los orgánulos de la célula, los puedes ver. Pero además puedes ver qué le pasa a la célula cuando se infecta con cosas como la malaria. También puedes ver los virus, y qué parte de los orgánulos de la célula son atacados por los virus, y cómo reacciona la célula”.

Representación 3D segmentada de una célula Ptk2 infectada por el virus. Azul: núcleo, rojo/naranja: partículas de virus; anchura de la célula aprox. 10 µm; Sincrotrón Xradia 825. Imagen cortesía de: F.J. Chichon, CNB-CSIC y Sincrotrón ALBA (España).

El nuevo sincrotrón Alba II, que reemplazará al actual, permitirá aún más precisión y ver con más nitidez lo que ocurre en el microscópico mundo de los átomos. ”Es el mismo edificio, pero no es la misma máquina”, explica Nicolas. “Cambiamos la máquina por un acelerador más moderno, que produce un haz más pequeño. Más pequeño quiere decir que además será más intenso. Con esto podremos actualizar nuestras líneas para que mejoren sus resultados. Tienes más fotones en la muestra, y mides más rápido, tienes mejor estadística. Puedes medir procesos dinámicos, reacciones químicas, por ejemplo, que van cambiando en el tiempo. Si tienes más fotones, puedes hacer tiempos de exposición más cortos porque tienes más luz. Puedes hacer una película a cámara rápida de la reacción química. Por otro lado, al hacer el haz de rayos X más pequeño, se habilitan una serie de técnicas que no se pueden hacer ahora, como técnicas de imagen”.

El paso al nuevo sincrotrón promete ser revolucionario. “Digamos que el actual es una bombilla, pues el sincrotrón nuevo pasa de bombilla a láser”, aclara Nicolas. “En realidad no es un láser de electrones libres, pero como ocurre en un láser, aumenta la coherencia. Es mucho más intenso y puedes hacer aplicaciones basadas en las propiedades ondulatoria de los rayos X, como interferometría u holografía. Combinando este tipo de medidas con análisis numérico muy intenso podremos hacer, esta vez sí, microscopía, con resolución de nanómetro, y a una velocidad importante”.

Si recuerdas la clase de química del instituto, tenías que imaginar cómo los átomos ganaban o perdían electrones y se combinaban entre sí. Ahora es posible ver cómo ocurre en directo gracias a una instalación singular como el sincrotrón Alba, uno de los más fascinantes gigantes de la ciencia.

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