Reciclaje de iones para investigar los elementos más pesados
En las instalaciones ISOLDE del CERN se ha desarrollado un nuevo método para comprender mejor las propiedades químicas y la reactividad de los elementos más raros y menos investigados. La Dra. Franziska Maier, estudiante de doctorado de Greifswald, estuvo al frente de este trabajo en el CERN. El método es muy prometedor: los investigadores sospechan que también podría ser relevante para el desarrollo de compuestos químicos en el tratamiento del cáncer.
Desde la combustión de la madera hasta los efectos de los medicamentos, las propiedades y el comportamiento de la materia vienen determinados por la forma en que los elementos químicos se combinan entre sí. Para muchos de los 118 elementos conocidos, las complejas estructuras electrónicas de los átomos responsables de los enlaces químicos son bien conocidas. Pero para los elementos superpesados, que se encuentran en el extremo de la tabla periódica, cada medición supone un gran reto.
En un nuevo estudio, Franziska Maier y sus colegas de la instalación ISOLDE del CERN informan de la demostración de un método novedoso. Éste promete enormes avances en el desciframiento de la química de los elementos (super)pesados. El nuevo enfoque también tiene aplicaciones potenciales en la investigación básica en física y en el desarrollo de métodos médicos.
Método desarrollado a partir de una trampa de iones Los elementos superpesados son extremadamente inestables y sólo pueden producirse en cantidades ínfimas en aceleradores de partículas. Por ello, los nuevos métodos se prueban inicialmente con elementos estables. El equipo de investigación de ISOLDE ha desarrollado un nuevo método basado en una trampa de iones para medir con precisión la afinidad electrónica de átomos y moléculas.
La afinidad electrónica es la energía que se libera cuando se añade un electrón a un átomo neutro, creando un ion negativo, el llamado anión. Es una de las propiedades más fundamentales de un elemento y determina en gran medida cómo forma los enlaces químicos.
Para la demostración se utilizaron átomos de cloro estables. El nuevo desarrollo permitió realizar mediciones con cien mil veces menos átomos que en todos los experimentos anteriores. Esto abre la posibilidad de determinar también la afinidad electrónica de los elementos superpesados.
En las mediciones convencionales de la afinidad de los electrones, los aniones del elemento en cuestión se envían a través del haz de un láser. Variando la frecuencia del láser, puede determinarse la energía exacta del fotón a la que el electrón adicional se desprende del anión; esta energía corresponde a la afinidad electrónica del átomo neutro. Sin embargo, en el caso de los elementos (super)pesados inestables, en los que sólo se producen unos pocos aniones por segundo o incluso con menor frecuencia, una sola pasada por el haz láser no es suficiente para medir esta energía.
Para resolver este problema, los investigadores de ISOLDE capturaron aniones de cloro en un aparato llamado Multi-Ion Reflection Apparatus for Collinear Laser Spectroscopy (MIRACLS). En esta trampa, los aniones de cloro se reflejan una y otra vez entre dos espejos de iones electrostáticos -similares a una pelota de ping-pong-, lo que permite que el rayo láser analice los iones en cada pasada.
"A pesar de utilizar cien mil veces menos aniones de cloro, nuestro novedoso método MIRACLS consigue la misma precisión de medición que los métodos convencionales en los que los aniones sólo pasan una vez por el rayo láser. La mejora se basa en los aproximadamente sesenta mil pases de los mismos iones", explica la Dra. Franziska Maier, autora principal del estudio. "Nuestro método utiliza los espejos de la trampa para 'reciclar' los aniones y abre así una vía para medir la afinidad de electrones en elementos superpesados".
La Dra. Franziska Maier llevó a cabo las mediciones en el CERN como parte de su doctorado en el grupo de trabajo del Prof. Dr. Lutz Schweikhard en la Universidad de Greifswald. Según añade este último, los límites entre los grupos de elementos de la tabla periódica podrían difuminarse a medida que aumenta el número de protones debido a efectos relativistas en los elementos superpesados. "Estos efectos se investigarán utilizando las afinidades electrónicas con el nuevo método de medición".
Muchos años de experiencia en la construcción y aplicación de trampas de haz de iones electrostáticas El grupo de trabajo de Greifswald cuenta con muchos años de experiencia en la construcción y aplicación de trampas de haz de iones electrostáticas. "Hace más de diez años se construyó en Greifswald un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo basado en este principio, que posteriormente se trasladó al CERN. Todavía se utiliza allí para determinar con gran precisión las masas de núcleos atómicos exóticos", explica el profesor Schweikhard. "Otro dispositivo de este tipo se está utilizando en Greifswald para analizar cúmulos atómicos". La trampa de iones utilizada en los nuevos experimentos del CERN también se construyó originalmente en Greifswald. En el CERN, el equipo internacional MIRACLS, dirigido por el Dr. Stephan Malbrunot-Ettenauer, la perfeccionó para mediciones de afinidad de electrones y la complementó con los láseres necesarios.
Importancia potencial para el desarrollo de nuevas terapias contra el cáncer Además de medir las afinidades electrónicas de los elementos superpesados, el método MIRACLS también podría aplicarse a elementos poco comunes en la Tierra, como el actinio, que, como la astatina, es un candidato prometedor para el desarrollo de compuestos químicos para el tratamiento del cáncer. También podría utilizarse para determinar las afinidades electrónicas de las moléculas con el fin de apoyar los cálculos teóricos de su estructura electrónica. Estos cálculos son importantes para la investigación de la antimateria y las moléculas radiactivas, que se utilizan cada vez más como herramientas para estudiar las simetrías fundamentales de la naturaleza.
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Publicación original
F. M. Maier, E. Leistenschneider, M. Au, U. Bērziņš, Y. N. Vila Gracia, D. Hanstorp, C. Kanitz, V. Lagaki, S. Lechner, D. Leimbach, P. Plattner, M. Reponen, L. V. Rodriguez, S. Rothe, L. Schweikhard, M. Vilen, J. Warbinek, S. Malbrunot-Ettenauer; "Enhanced sensitivity for electron affinity measurements of rare elements"; Nature Communications, Volume 16, 2025-11-3
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