Quines tècniques s’utilitzen en els experiments amb llum de sincrotró?

Microscòpia, espectroscòpia i difracció són tres mètodes que permeten analitzar la matèria i les seves propietats amb llum de sincrotró.

Per Judith Vives

El Sincrotró ALBA és un accelerador de partícules que genera llum de sincrotró, un tipus de radiació electromagnètica amb la qual es pot analitzar la matèria i les seves propietats a nivell atòmic i molecular.

La llum de sincrotró és molt útil a l’hora de fer experiments ja que conté molts tipus de llum, de manera que es pot triar quin tipus de llum podem utilitzar segons l’experiment. Concretament, la llum de sincrotró va des de l’infraroig fins als raigs X, passant per la llum visible i la ultraviolada.

A les instal·lacions del Sincrotró ALBA la llum de sincrotró es desvia a les línies de llum, extensions del túnel circular principal que recullen la radiació emesa pels electrons quan hi giren. I és en els extrems d’aquestes línies de llum on es duen a terme els experiments i s’extreuen les dades.

Allà, els equips científics fan servir diferents tècniques en funció de l’experiment que vulguin dur a terme. Les tècniques experimentals del Sincrotró ALBA es poden classificar en tres grans àrees: en aquest article te les expliquem.

Microscòpia

Es tracta d’una de les tècniques més populars. Tots hem utilitzat algun cop un microscopi per tal de fer visibles objectes que no podem apreciar a simple vista. Amb la microscòpia es poden obtenir imatges de diversos materials i conèixer la seva estructura interna, les seves propietats electròniques, magnètiques i químiques, entre altres característiques.

Al Sincrotró ALBA tenen tres tipus de microscopi que fan servir la llum de sincrotró per fer experiments. En un d’aquests tipus de microscopi, un feix de raigs X de baixa energia il·lumina la mostra i se’n prenen imatges des de diferents angles. Això permet crear una reconstrucció 3D de la mostra i així poder estudiar-la detalladament. Amb aquest equip, del qual només n’hi ha tres més a tot el món, s’ha comprovat com es comporten el virus de l’hepatitis C, la malària o l’origen del calci als ossos.

A les instal·lacions també hi ha un microscopi d’infraroig que identifica les vibracions de les molècules. Això s’aconsegueix enviant una llum que té la mateixa freqüència de ressonància que la de la molècula, de manera que l’absorbeix i vibra al màxim. D’aquesta manera es pot obtenir la composició química dels materials. Amb aquest microscopi s’han estudiat detalladament l’Alzheimer o la presència de microplàstics a l’Àrtic.

El microscopi electrònic de fotoemissió es basa en l’efecte fotoelèctric: els electrons dels àtoms que es troben a la superfície de la mostra són alliberats després d’absorbir l’energia dels fotons de la llum de sincrotró. Així s’obté una imatge ampliada de la superfície de la mostra, la qual ens dona informació sobre les propietats electròniques i magnètiques de diversos materials.

Espectroscòpia

L’espectroscòpia estudia la interacció entre la llum i la matèria. Aquesta tècnica analitza la diferència entre la llum que entra en la mostra i la que en surt per tal de determinar les propietats microscòpiques dels materials.

Segons la teoria de la mecànica quàntica, els electrons d’un àtom estan col·locats en diferents nivells atòmics. Si il·luminem els àtoms amb una llum prou energètica, els electrons faran servir aquesta energia per pujar a nivells atòmics superiors o fins i tot escapar-se de l’àtom. L’estudi d’aquests efectes ens ofereix molta informació sobre la mostra.

Hi ha nombroses tècniques d’espectroscòpia: al Sincrotró ALBA s’utilitzen principalment les quatre següents.

En la fotoemissió, el fotó —la partícula de llum— té l’energia suficient per alliberar un electró de l’àtom de la mostra. Aquesta tècnica mesura el nombre d’electrons emesos i la seva energia.

En l’absorció, l’àtom absorbeix un fotó amb l’energia exacta per fer saltar un electró a nivells atòmics superiors. Aquí es mesura la transmissió de la mostra, és a dir, l’energia que no ha absorbit.

En la dispersió ressonant, l’electró usa l’energia del fotó per tal de pujar de nivell, però immediatament després descendeix al nivell on estava inicialment i emet el fotó. Això ho fa perquè els electrons estan més estables (més còmodes) quan tenen menys energia. En aquest cas, es mesura la transferència d’energia entre l’electró i el fotó.

En la fluorescència de raigs X, l’electró és excitat pel fotó i deixa un buit lliure. Llavors, un altre electró d’un nivell superior baixa a ocupar aquest buit, i emet un fotó de diferent energia, que és la que mesurarem. Aquesta tècnica permet aconseguir informació sobre els estats d’oxidació dels elements o les propietats magnètiques dels materials.

 

Difracció

Una ona altera la seva direcció de propagació quan es troba amb un obstacle o un punt estret. De la mateixa manera, quan un feix de llum travessa un objecte, els àtoms actuen com a obstacles i desvien la llum. El feix de llum difractat (desviat) s’emporta la informació sobre la geometria de l’objecte a escala atòmica.

Quan un feix de llum travessa un objecte i és desviat, s’obté una mena d’imatge anomenada “patró de difracció”. Els patrons de difracció obtinguts amb llum de sincrotró tenen una gran resolució i permeten reconstruir l’estructura de diferents materials i molècules.

Existeixen tres tipus de difracció: monocristal·lina, de pols i no cristal·lina. La difracció monocristal·lina permet obtenir l’estructura geomètrica 3D d’un cristall perfecte a escala atòmica. Permet reconstruir l’estructura de molècules molt complexes, amb centenars de milers d’àtoms, com per exemple les proteïnes.

En general, els sòlids que trobem a la natura són policristal·lins, és a dir, estan formats per molts cristalls perfectes, cadascun dels quals orientat en diferents direccions. Amb la difracció de pols es poden analitzar minerals, materials diversos (des de ceràmiques a bateries) o productes farmacèutics. A més a més, es poden canviar les condicions en què es troba la mostra (temperatura, pressió…) i estudiar com això l’afecta.

Molts materials orgànics no formen cristalls, sinó estructures més grans que es van repetint. La difracció no cristal·lina proporciona informació sobre l’estructura d’aquesta mena de materials i els seus canvis, provocats per les condicions ambientals.

Junior Report dissenya unitats didàctiques per llegir i treballar l’actualitat a l’aula. Pots accedir a la nostra botiga per consultar el catàleg complet! 

FER UN COMENTARI

Please enter your comment!
Please enter your name here