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Un sincrotrón en miniatura
Los sincrotrones son instalaciones enormes que pueden producir haces de rayos X intensos y de alta calidad con fines científicos. Por lo general, tienen el tamaño de un campo de fútbol y su construcción y funcionamiento cuestan cientos de millones de dólares. Pero ahora, los investigadores de Tecnologías Lyncean , una startup en Palo Alto, CA, han reducido el sincrotrón al tamaño de una habitación. Este sincrotrón en miniatura ofrece a los científicos una nueva forma de realizar experimentos de rayos X de alta calidad en sus propios laboratorios.
Radiografías en casa: Un esquema del sincrotrón en miniatura (arriba) muestra el inyector de haz de electrones (tubo verde) y el anillo de almacenamiento. El haz de electrones circula alrededor del anillo y choca con un pulso láser en cada giro, emitiendo ráfagas de rayos X. Abajo: una vista detallada muestra los componentes del sincrotrón en miniatura, que cabe dentro de una habitación.
Lyncean ha construido un prototipo de sincrotrón y está construyendo otro que se instalará este año en el Instituto de Investigación Scripps en La Jolla, CA. El nuevo sincrotrón será utilizado por Centro de tecnologías aceleradas para estructura genética a 3D , que es parte de la Iniciativa de Estructura de Proteínas de los Institutos Nacionales de Salud.
El instrumento de mesa no es tan poderoso como los grandes sincrotrones, dice Ronald Ruth, presidente y científico jefe de Lyncean. Pero, por otro lado, es mucho más económico y muy compacto. Compara los sincrotrones nacionales con supercomputadoras, donde muchos usuarios deben competir por tiempo limitado en uno de los haces. [Los sincrotrones] abordan el estado de la técnica, dice Ruth. Empujan el sobre. Pero su impacto es tan amplio como la cantidad de personas que están dispuestas a viajar para ir allí. El sincrotrón en miniatura se parece más a una PC, dice, compartido por algunos usuarios y fácilmente disponible.
Los rayos X son útiles para probar las propiedades de los materiales, ya que su longitud de onda es aproximadamente del mismo tamaño que los átomos y los enlaces químicos entre ellos. Por ejemplo, la cristalografía de rayos X es un método importante para determinar la estructura de las proteínas. Los rayos X se difractan al pasar a través de un cristal de proteína, generando un patrón de interferencia característico. Al analizar el patrón, los científicos pueden deducir la disposición de los átomos y así determinar la estructura de la proteína.
Para este tipo de estudios, la radiación de sincrotrón tiene ventajas sobre las fuentes de rayos X comunes: es cien millones de veces más brillante y altamente concentrada, lo que permite experimentos muy precisos y de alta resolución. Los sincrotrones también producen una fuente continua de rayos X, en lugar de las ráfagas cortas generadas por los tubos de rayos X comunes. Y la luz de un sincrotrón se puede sintonizar, por lo que los investigadores pueden hacer coincidir la energía con el material que se está probando.
La calidad de la luz del sincrotrón en miniatura es tan buena como la de las máquinas grandes, dice Franz Pfeiffer, físico del Instituto Paul Scherrer y École Polytechnique Federale en Lausanne, Suiza. Eso es lo que lo hace tan atractivo, dice. [Este] combina el beneficio de tener algo relativamente pequeño con las ventajas del haz extremadamente brillante que está disponible a través de sincrotrones. Es algo muy bueno tenerlo.
Ruth determinó por primera vez que un sincrotrón en miniatura podría ser posible a fines de la década de 1990, cuando era profesor en el Stanford Linear Accelerator Center. Ruth y un estudiante de posgrado, Zhirong Huang, buscaban una forma de enfriar los haces de electrones haciéndolos irradiar. Descubrieron que golpear los rayos con un láser no solo los enfría de manera efectiva, sino que también genera rayos X.
Este efecto resultó ser la clave para reducir el tamaño del sincrotrón. Los sincrotrones grandes utilizan onduladores magnéticos que mueven el haz de electrones de un lado a otro mientras circula alrededor de un gran anillo de almacenamiento. Ruth explica que ese meneo, del orden de un centímetro, genera rayos X que se proyectan en una tangente al círculo, de forma muy similar a como un reflector giratorio ilumina la luz.
El sincrotrón en miniatura utiliza solo un pulso de láser en movimiento que interactúa con el haz de electrones cada vez que da la vuelta al anillo de almacenamiento, que cabe en una mesa. El meneo es una diezmilésima parte de su tamaño, solo un micrómetro, y los rayos X se emiten en un solo haz.