Cómo funcionan los sincrotrones: la luz más brillante del mundo

¿Qué es un sincrotrón?

Una fuente de luz sincrotrón es una máquina enorme, con forma de anillo, que acelera electrones casi a la velocidad de la luz y aprovecha la intensa radiación que emiten cuando se ven obligados a cambiar de dirección. El resultado es un haz de rayos X extraordinariamente brillante —miles de millones de veces más brillante que el sol— que los científicos dirigen a todo tipo de objetos, desde fósiles antiguos hasta fármacos experimentales.

Más de 50 instalaciones de sincrotrón están operativas o en construcción en todo el mundo, desde el European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) en Grenoble, Francia, hasta el Diamond Light Source en Oxfordshire, Inglaterra, y el Australian Synchrotron cerca de Melbourne. Sirven a decenas de miles de investigadores cada año.

Cómo funciona la máquina

El proceso comienza con un cañón de electrones, que dispara un flujo de electrones a un acelerador lineal. Aquí, las partículas se aceleran casi a la velocidad de la luz, normalmente al 99,9997 por ciento de c. Un anillo de refuerzo más pequeño aumenta aún más su energía, a menudo desde alrededor de 100 MeV hasta 3000 MeV en menos de un segundo.

Los electrones entran entonces en el anillo de almacenamiento, un tubo de vacío con forma de polígono que puede extenderse cientos de metros de circunferencia. Potentes imanes de flexión dirigen los electrones alrededor de las curvas del anillo. Cada vez que las partículas cambian de dirección, liberan energía en forma de radiación electromagnética: luz de sincrotrón.

Para intensificar el haz, muchas instalaciones insertan dispositivos llamados onduladores o wigglers en secciones rectas del anillo. Estas matrices de imanes alternos obligan a los electrones a oscilar rápidamente, produciendo rayos X aún más brillantes y enfocados. La luz se canaliza a través de docenas de líneas de haz: estaciones experimentales individuales que irradian hacia afuera desde el anillo como los radios de una rueda.

Por qué la luz de sincrotrón es especial

Las máquinas de rayos X ordinarias producen un haz amplio y relativamente tenue. Un sincrotrón, por el contrario, proporciona una luz que es:

• Extremadamente brillante: hasta 10 mil millones de veces más intensa que las fuentes convencionales
• Altamente enfocada: los haces pueden reducirse a menos de un micrómetro de ancho
• Sintonizable: los científicos pueden seleccionar longitudes de onda precisas, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta y los rayos X duros
• Pulsada: el haz llega en ráfagas ultracortas, lo que permite realizar experimentos con resolución temporal que capturan reacciones químicas en tiempo real

Estas propiedades permiten a los investigadores ver estructuras y procesos que son invisibles para cualquier otro instrumento.

Lo que han revelado los sincrotrones

Medicina y diseño de fármacos

La cristalografía de rayos X de sincrotrón fue esencial para mapear la estructura de la proteína de espiga del virus SARS-CoV-2, acelerando el desarrollo de vacunas y antivirales contra la COVID-19. La técnica ayuda rutinariamente a las empresas farmacéuticas a visualizar cómo las moléculas de los fármacos se acoplan a los objetivos de la enfermedad a nivel atómico.

Paleontología

La microtomografía de contraste de fase en las instalaciones de sincrotrón ha revelado tejidos blandos dentro de fósiles de 300 millones de años, ha descubierto huesos de embriones dentro de huevos de lagarto de 125 millones de años y ha leído tinta invisible en pergaminos antiguos. Un estudio reciente utilizó imágenes de sincrotrón para reclasificar el fósil del "pulpo más antiguo" del mundo como un pariente del nautilo, resolviendo un enigma evolutivo de décadas.

Ciencia de los materiales

Los ingenieros utilizan haces de sincrotrón para observar cómo se propagan las fracturas por tensión a través de las palas de las turbinas de los motores a reacción, estudiar los electrodos de las baterías mientras se cargan y descargan, y mapear la composición química de las células solares de nueva generación, todo ello sin destruir la muestra.

La próxima generación

Los sincrotrones de cuarta generación, como el ESRF-EBS actualizado en Grenoble y la instalación Sirius de Brasil, utilizan un diseño de celosía acromática multibend que comprime el haz de electrones en una cinta aún más delgada. El resultado es una luz hasta 100 veces más brillante que las máquinas anteriores, lo que abre la puerta a la obtención de imágenes de moléculas individuales y al seguimiento de reacciones químicas en la escala de tiempo de los femtosegundos.

Mientras los científicos necesiten ver lo invisible, ya sea dentro de una célula viva, un meteorito o un manuscrito antiguo, los sincrotrones seguirán siendo una de las herramientas más poderosas del arsenal de investigación.