La Radiación Sincrotrón en Ciencia de Materiales
Toda nueva tecnología (desde el AVE a las baterías de los teléfonos móviles) necesita del desarrollo de materiales con propiedades específicas. La ciencia de materiales repercute directamente en nuestra calidad de vida, implantes resistentes y biocompatibles, motores más ligeros y resistentes, comunicación intercontinental de datos a alta velocidad, almacenamiento masivo de información en volúmenes mínimos, mejor rendimiento de fuentes de energía limpias, enormes pantallas de gran definición, y el casi infinito abanico de plásticos que utilizamos cada día.
La capacidad para crear nuevos materiales y estructuras está ineludiblemente unida a los avances en la comprensión de dichos materiales y los fenómenos físicos y químicos que están en juego en su seno, en varias escalas de longitud relevantes y en muchos casos, involucrando diversos rangos energéticos. Por ello, es fundamental contar con múltiples técnicas de caracterización complementarias, mejor cuanto más versátiles. La radiación sincrotrón es una herramienta insustituible en ciencia de materiales porque ofrece un amplio conjunto de técnicas, idóneo y hasta imprescindible en el proceso de desarrollo de un material tecnológico.
La Radiación Sincrotrón (RS) es Radiación Electromagnética (luz) generada por partículas cargadas que han sido aceleradas hasta casi la velocidad de la luz y que se ven forzadas a seguir una trayectoria curva y por tanto a emitir dicha radiación. Las partículas cargadas, habitualmente electrones, se mantienen durante horas dando vueltas en un anillo de almacenamiento, que no es sino un acelerador de partículas dedicado a la producción de luz sincrotrón. La RS se produce en los puntos del anillo en los que un campo magnético curva la trayectoria de los electrones. Un anillo, por tanto, tiene decenas de líneas de luz en las que se realizan distintos experimentos simultáneamente. La especificidad de cada línea viene determinada tanto por la fuente (según cómo se genere el campo magnético responsable de la emisión) como por la óptica que sigue el rayo de luz (focalización, color, polarización, resolución en energía, etc.).
En general, un equipo de científicos que necesite usar la radiación sincrotrón accede a realizar un experimento tras un proceso de selección de propuestas evaluadas por un comité internacional y recibe un número de días de experimento suficiente para realizar el estudio propuesto, en la línea de luz óptima para realizarlo. Para el equipo experimental que accede a la RS, el anillo de almacenamiento que la produce es casi inexistente: tan sólo el haz de luz que incide sobre su muestra es testigo de la existencia del anillo. El utillaje experimental de cada línea es independiente y del mismo depende casi por entero el tipo de experimento que cada equipo realiza (absorción, dispersión, difracción, microscopía...).
Fig. 1. Esquema de un sincrotrón de tercera generación.
España es socio fundador de la Fuente Europea de Radiación Sincrotrón, el ESRF de Grenoble. Desde su apertura en 1995 los españoles tenemos derecho a utilizar un 4% del tiempo total de haz del ESRF, el mismo porcentaje de su presupuesto anual que sufragamos. Además, España mantiene dos líneas de luz propias: BM16 y BM25 son las líneas españolas en el ESRF. BM16 está dedicada a la estructura de macromoléculas y a experimentos de dispersión de luz por muestras biológicas (fibras musculares, polimeros naturales) y plásticas. BM25 (Spline) es una línea dedicada a diversos experimentos de estructura de sólidos y superficies. Desde 2004, España ha puesto en marcha un ambicioso proyecto que ofrecerá la primera luz a sus usuarios hacia el final de esta década: ALBA, el sincrotrón español se construye en Cerdañola del Vallés, al lado del campus de la Universidad Autónoma de Barcelona. El anillo de almacenamiento mantendrá a los electrones con 3 GeV, y tendrá capacidad para más de una veintena de líneas. Varios grupos del ICMA han participado activamente en la definición y diseño de varias de las 7 líneas de luz que se están contruyendo en ALBA.
La RS tiene ciertas propiedades que hacen de la misma una herramienta sin par en ciencia:
- es una fuente de luz inmensamente brillante, mucho más que cualquier otra fuente de luz de laboratorio
- es una fuente de luz blanca: el haz incidente está compuesto de todos los colores (es decir, energías) desde el infrarrojo hasta los rayos gamma, pasando por el visible y los rayos X;
- la RS es muy adecuada para el estudio de la estructura tanto de sólidos como de proteínas, polímeros, fibras musculares, mediante experimentos de difracción.
- es una fuente de luz con energías adecuadas para excitar transiciones electrónicas en los materiales, por lo que permite estudiar su estructura electrónica;
- La RS permite seleccionar la polarización del haz: circular, horizontal o vertical, a demanda.
- Los electrones en el anillo no forman un flujo continuo, sino que viajan agrupados en paquetes. Poe ello, la RS es estroboscópica: pulsos de unos picosegundos de duración que se repiten cada varios nanosegundos. Esto permite realizar experimentos en función del tiempo en frecuencias muy altas.
Estas propiedades combinadas hacen de la RS una herramienta muy versátil.
Figura 2. Imagen del proyecto del sincrotrón español ALBA, en construcción en Cerdanyola del Vallès, Barcelona.
En el ICMA hay varios grupos que utilizan de forma habitual la radiación sincrotrón en el estudio de los materiales de su interés. Así, se estudian óxidos de hierro, tanto para comprender algunas de sus propiedades básicas (como la variación brusca de la conductividad de la magnetita (Fe3O4) al enfriarse, en la llamada Transición de Verwey, y que parece no ser tan simple como se creía) como para mejorarlos y utillizarlos en forma de nanopartículas en novedosas tecnologías biomédicas y farmacéuticas que parecen sacadas de la ciencia ficción de hace unas décadas. Otros grupos del ICMA usan el hecho de que la radiación sincrotrón barre el espectro de energías típico del efecto fotoeléctrico, lo que la convierte en una magnetometría extremadamente sensible: no sólo es posible estudiar la imanación de muestras de tamaño nanoscópico sino que puede medir cuantitativamente la imanación de elementos no magnéticos que están en contacto con elementos que sí lo son. Estas técnicas han permitido demostrar a un equipo del ICMA cómo mejoran la anisotropía magnética de unas esferas de cobalto de sólo unos mil átomos al recubrirlas con una capa de unos pocos átomos de espesor de oro, plata o platino. La anisotropía magnética es la afinidad que tiene un imán por dirigir su imanación en una dirección determinada. Cuanto mayor es esta anisotropía, es decir, cuanto más prefiere el imán una dirección dada, más estable es como almacén de información frente a cualquier perturbación. Esta propiedad es fundamental y cualquier método para aumentarla tiene una importancia capital, pues caso de que se trate de un elemento de grabación magnética (un bit en un disco duro, por ejemplo) cuanto más alta sea la anisotropía mayor es la seguridad que tenemos de que la información almacenada no se borrará, y más interesadas podrían estar las empresas en desarrollar un dispositivo basado en dichos materiales.
Figura 3: Izquierda: susceptibilidad magnética del sistema de bolas de cobalto de 3 nm de diámetro cubiertas por una capa de oro (puntos verdes) y sin cubrir (puntos azules). El incremento de temperatura del máximo de la susceptibilidad evidencia un aumento de la anisotropía magnética. Derecha: Experimento de absorción magnética de radiación sincrotrón, mostrando la imanación inducida en el oro que recubre a las partículas de cobalto.
La RS será en las próximas décadas una de las herramientas más utilizadas en ciencia de materiales, dada su gran versatilidad, y es de esperar que los científicos españoles aprovechemos al máximo las oportunidades que el momento actual nos brinda.
Fernando Bartolomé
Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón, CSIC Universidad de Zaragoza
