Fuente compacta de rayos X para la investigación en ciencias de la vida
Una alternativa que ocupa menos espacio que los láseres de electrones libres, que se extienden a lo largo de kilómetros
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Los rayos X con longitudes de onda comprendidas entre aproximadamente 2,3 y 4,4 nanómetros —es decir, en la denominada «ventana del agua»— resultan especialmente adecuados para examinar muestras biológicas en su entorno acuoso natural. Sin embargo, hasta la fecha ha resultado técnicamente difícil obtener este tipo de radiación con la calidad y la intensidad adecuadas. Un equipo de investigación europeo de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU), el centro de investigación ELI Beamlines y la Universidad de Strathclyde ha demostrado ahora, mediante simulaciones de modelos, que los aceleradores de partículas basados en láser-plasma pueden facilitar el acceso a este rango de radiación.
Los sistemas biológicos están compuestos en gran parte por agua. Por el contrario, las moléculas biológicas contienen, por ejemplo, carbono y nitrógeno. A la hora de representar estas moléculas con alta resolución, resulta útil la radiación electromagnética —para la que el agua es transparente, pero que es absorbida intensamente por otros átomos—. Y esto se aplica precisamente a la radiación de rayos X blandos en la «ventana del agua».
El profesor Dr. Bernhard Hidding, director del grupo de física del plasma láser de campo intenso de la HHU y autor correspondiente del estudio, afirma: «Hasta la fecha, la comunidad investigadora ha dependido de sistemas de láser de electrones libres de un kilómetro de longitud —basados en aceleradores de electrones convencionales— para obtener una radiación lo suficientemente intensa como para realizar exámenes biológicos. Junto con la instalación ELI Beamlines de Dolní Břežany, en la República Checa, y la Universidad de Strathclyde, en Escocia, estamos adoptando un enfoque diferente: queremos utilizar un acelerador de electrones compacto basado en la tecnología de láser-plasma, cuyos aspectos clave se desarrollaron en Düsseldorf».
En un acelerador de láser-plasma, un pulso láser de alta intensidad genera una onda de plasma en un gas. Su intensidad de campo extremadamente alta puede acelerar los electrones hasta casi la velocidad de la luz en un espacio de tan solo unos pocos centímetros.
Lily Berman, investigadora doctoral del grupo de trabajo del profesor Hidding en la Universidad de Strathclyde y autora principal del estudio: «Nuestras simulaciones muestran que los novedosos pulsos de electrones ultrabrillantes en los “unduladores magnéticos” pueden producir destellos de rayos X, en los que la máxima cantidad de energía de los electrones se convierte en energía de rayos X, en tan solo unos pocos metros. El proceso también debería ser muy robusto y ajustable de forma flexible».
El Dr. Fahim Habib, investigador principal en el centro de investigación ELI (Extreme Light Infrastructure): «Que una fuente de radiación como esa pueda funcionar como un láser de electrones libres depende principalmente de la calidad de los haces de electrones. Nuestro estudio demuestra que un novedoso acelerador híbrido de láser-plasma podría crear las condiciones necesarias. Probaremos este enfoque experimentalmente en un futuro próximo».
El profesor Hidding sobre las perspectivas de futuro: «Dado que un sistema de este tipo es muy compacto y puede construirse a una fracción del coste de los aceleradores de partículas convencionales, también podría instalarse en universidades y centros de investigación, o utilizarse con fines comerciales. De este modo, la imagenología y la espectroscopia de rayos X en la «ventana del agua» pueden extenderse desde unos pocos laboratorios nacionales importantes al panorama de la investigación en general».
El estudio se llevó a cabo en el marco de una colaboración estratégica entre la HHU y ELI Beamlines, y fue financiado por la Fundación Alemana para la Investigación, el Ministerio Federal de Investigación, Tecnología y Espacio, así como a través de programas europeos de financiación de la investigación, como el European Plasma Research Accelerator with eXcellence (EuPRAXIA).
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