Las nuevas líneas de luz de Sirius expanden las posibilidades de la ciencia brasileña

El acelerador de partículas de cuarta generación instalado en el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS) constituyó el objeto de la 4ª Conferencia FAPESP 2023. Harry Westfahl Junior, director del laboratorio, describió el aparato y las posibilidades de investigación que genera, y anunció la apertura de una tercera convocatoria a la presentación de proyectos

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Con sus 530 metros de circunferencia, Sirius, la fuente de luz sincrotrón de cuarta generación de Brasil, es la más grande y la más importante infraestructura científica nacional. Es también uno de los tres únicos aparatos de su tipo existentes en el mundo. Los otros están emplazados en Suecia y en Francia respectivamente, mientras que países muy avanzados en la investigación científica, como China, aún están construyendo los suyos. La luz de Sirius, emitida en diferentes rangos del espectro electromagnético, desde el infrarrojo hasta los rayos X, penetra en los más diversos materiales, con lo cual permite estudiar su estructura y su composición.

Ubicado en el Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM), en Campinas, en el estado de São Paulo, y financiado con recursos del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (MCTI), Sirius es una infraestructura abierta, que puede utilizarse sin costo en investigaciones científicas de interés público o mediante el pago en investigaciones empresariales de interés privado.

Para referirse a este aparato, cuya gama de aplicaciones en curso o potenciales es enorme, la FAPESP llevó a su auditorio al físico Harry Westfahl Junior, director del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS), en donde se encuentra instalado Sirius. Puede accederse a la “4ª Conferencia FAPESP 2023 − Sirius: una nueva era para la ciencia brasileña con un sincrotrón de cuarta generación”, que tuvo lugar el 25 de agosto, en el canal de Agência FAPESP en YouTube.

Westfahl Junior anunció la tercera convocatoria regular a la presentación de propuestas de investigación para las diez primeras estaciones experimentales de Sirius, entonces aún abiertas. Científicos brasileños, de Latinoamérica y del Caribe pudieron remitir proyectos hasta el día 6 de septiembre. Las propuestas podrían solicitar ayuda económica para la utilización de las instalaciones y para la ida a Campinas.

Asimismo, el científico ejemplificó las posibilidades de utilización de cada una de las diez líneas de luz abiertas a licitaciones regulares o en fase de puesta a punto (otras cuatro están en construcción). Los resultados van desde la visualización de sitios activos de proteínas, y desde la transferencia de electrones desde ellos o hacia ellos mediante procesos de oxidación o reducción, hasta el estudio de materiales sometidos a condiciones extremas de temperatura, presión o campo magnético, que pasan por tal motivo a exhibir nuevas propiedades físicas o químicas, tal como es el caso de los superconductores, capaces de conducir corrientes eléctricas sin resistencia.

Una diferencia importante de la investigación realizada en las líneas de luz sincrotrón reside en que hace posible llevar a cabo experimentos in situ, con la visualización de las modificaciones producidas en la estructura de los materiales cuando estos son sometidos a distintos parámetros de temperatura, presión, tensión mecánica, campos eléctricos o magnéticos, ambientes químicos diversificados, etc.

Nuevas líneas de luz

Las cuatro nuevas líneas de luz que pasan a recibir propuestas de investigación en el marco de este llamado amplían aún más las posibilidades experimentales de Sirius. De acuerdo Westfahl Junior, podrán realizarse otros tipos de experimentos complementarios a los experimentos actuales: “En la línea de luz Cedro, abriremos nuevas posibilidades de experimentos para investigaciones en biofísica, mientras que en la línea Sabiá [zorzal] tendremos más posibilidades para develar los mecanismos que dotan de propiedades magnéticas a los materiales. En tanto Mogno [caoba], la línea de luz de mayor energía de Sirius, abrirá capacidades sin precedentes en tomografía de rayos X, beneficiando así a las más diversas áreas del conocimiento. Y la línea Paineira [palo borracho] ampliará nuestra capacidad cristalográfica y abrirá posibilidades para la mineralogía de suelos y la investigación de la estructura atómica de los catalizadores en tiempo real”.

Asimismo, la línea de luz Ipê [lapacho], que ya se encuentra abierta para la realización de investigaciones, pasa a ofrecer una nueva técnica, de dispersión resonante inelástica de rayos X (RIXS). “Se trata de una técnica disponible en pocos sincrotrones en el mundo, que permite dilucidar de qué manera se organizan los electrones para generar propiedades: desde centros catalíticos en biomoléculas hasta la formación de estados exóticos de la materia, como en materiales superconductores”, explicó.

El acelerador de partículas

Sirius es fundamentalmente un acelerador de partículas. Y Westfahl Junior explicó la diferencia entre este y otros aceleradores, como el gigantesco Large Hadron Collider (LHC), instalado en la frontera franco-suiza. En el LHC, dos haces de hadrones (fundamentalmente protones) se desplazan por el aparato en sentidos contrarios. Y una vez acelerados por campos magnéticos a niveles altísimos de energía, se los lleva a colisionar uno con otro. La cascada de partículas formadas informa acerca de las configuraciones de la materia que pueden existir a esos niveles de energía, validando o perfeccionando esquemas teóricos como el modelo estándar y permitiendo así reconstituir situaciones que habrían acaecido en el universo primordial. En tanto, el acelerador sincrotrón es otra cosa.

“El objetivo no es efectuar colisiones, sino acelerar electrones prácticamente hasta la velocidad de la luz para producir radiación electromagnética. Una vez acelerados, los electrones emiten fotones, que el instrumento conduce hasta las llamadas líneas de luz”, dijo.

La radiación es filtrada en diferentes longitudes de onda y se la lleva a incidir sobre muestras de interés. Dependiendo de la longitud de onda y de la muestra, el material puede o no absorber la radiación, develando su estructura y su composición. “La luz visible tiene una energía del orden de los 2 electronvoltios. Pero Sirius produce radiación que va de valores mucho menores que un electronvoltio hasta otros mucho mayores que miles de electronvoltios”, informó el investigador.

Las bajas energías, en el rango del infrarrojo, permiten identificar las “firmas” de las uniones químicas. Energías poco superiores a la de la luz visible permiten investigar de qué manera están ordenados los electrones en los materiales. Y energías mucho mayores que miles de electronvoltios, fundamentalmente en la franja de los rayos X, abren ventanas hacia una gran variedad de experimentos.

Toda la tecnología se moviliza para condensar los electrones y producir los menores haces posibles, de manera tal de hacer posible el mapeo de la materia a escala nanométrica. “En los aceleradores sincrotrón de cuarta generación, el tamaño del haz es mucho menor que el de las generaciones anteriores. Y en la fracción coherente es mucho mayor. La exploración de esta coherencia es lo que nos brinda tantas posibilidades nuevas. Otro aspecto importante reside en que no basta con producir un pequeño haz de electrones: es necesario también que este haz sea estable, para que pueda circular por el acelerador durante todo el día, toda la semana, sin variar más que algunas centenas de nanómetros”, destacó Westfahl Junior.

Un ejemplo de cooperación

El conjunto de la exposición de Westfahl Junior y la sesión de preguntas y respuestas suministraron una amplia y muy variada información referente a Sirius, desde la física de la radiación sincrotrón hasta el perfil de los científicos y los técnicos que allí trabajan, de los valores de la financiación a las condiciones necesarias para remitir propuestas de utilización, de su apertura a equipos extranjeros al capital diplomático que dicha infraestructura de investigación científica genera para el país.

La apertura de la conferencia estuvo a cargo del director presidente de la FAPESP, Carlos Américo Pacheco, quien puso de relieve el papel de los pioneros en la construcción del primero acelerador sincrotrón de Brasil y el aporte de la industria nacional en la fabricación de los componentes. Oswaldo Baffa Filho, de la Facultad de Filosofía, Ciencias y Letras de Ribeirão Preto de la Universidad de São Paulo (FFCLRP-USP) hizo las veces de moderador. El presidente de la FAPESP, Marco Antonio Zago, presente en el auditorio, le adjudicó el éxito del proyecto a un raro ejemplo de cooperación entre la comunidad científica, las empresas privadas y el gobierno.

Puede obtenerse información ampliamente detallada sobre Sirius en el portal del CNPEM.

Y hay más información sobre este y otros eventos de la serie “Conferencias FAPESP 2023” disponible en el siguiente enlace: fapesp.br/conferencias2023.