Fonte compacta de raios X para investigação nas ciências da vida
Uma alternativa que ocupa menos espaço do que os lasers de eletrões livres, que se estendem por quilómetros
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Os raios X com comprimentos de onda entre aproximadamente 2,3 e 4,4 nanómetros, ou seja, na chamada «janela da água», são particularmente adequados para examinar amostras biológicas no seu ambiente natural, aquoso. Até à data, porém, tem sido tecnicamente difícil obter este tipo de radiação com a qualidade e intensidade adequadas. Uma equipa de investigação europeia da Universidade Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU), do centro de investigação ELI Beamlines e da Universidade de Strathclyde demonstrou agora, através de simulações em modelo, que os aceleradores de partículas baseados em plasma a laser podem proporcionar um acesso fácil a esta gama de radiação.
Os sistemas biológicos são compostos, em grande parte, por água. Em contrapartida, as moléculas biológicas contêm, por exemplo, carbono e azoto. Quando se trata de representar essas moléculas em alta resolução, a radiação eletromagnética — para a qual a água é transparente, mas que é fortemente absorvida por outros átomos — é útil. E isto aplica-se precisamente à radiação de raios X suaves na «janela da água».
O professor Dr. Bernhard Hidding, líder do grupo de física de plasma de laser de campo forte na HHU e autor correspondente do estudo, afirma: «Até à data, a comunidade científica tem dependido de sistemas de laser de eletrões livres com quilómetros de comprimento — que se baseiam em aceleradores de eletrões convencionais — para obter radiação suficientemente intensa para exames biológicos. Em colaboração com as instalações da ELI Beamlines em Dolní Břežany, na República Checa, e com a Universidade de Strathclyde, na Escócia, estamos a adotar uma abordagem diferente: pretendemos utilizar um acelerador de eletrões compacto baseado na tecnologia de plasma a laser, cujos aspetos-chave foram desenvolvidos em Düsseldorf.»
Num acelerador de plasma a laser, um pulso de laser de alta intensidade gera uma onda de plasma num gás. A sua intensidade de campo extremamente elevada consegue acelerar eletrões até quase à velocidade da luz num espaço de apenas alguns centímetros.
Lily Berman, investigadora de doutoramento no grupo de trabalho do Professor Hidding na Universidade de Strathclyde e autora principal do estudo: «As nossas simulações mostram que os novos impulsos de eletrões ultrabrilhantes em “unduladores magnéticos” podem produzir flashes de raios X, nos quais a quantidade máxima de energia dos eletrões é convertida em energia de raios X, num espaço de apenas alguns metros. O processo deverá também ser muito robusto e ajustável de forma flexível.»
Dr. Fahim Habib, investigador principal no centro de investigação ELI (Extreme Light Infrastructure): «O facto de uma fonte de radiação como essa poder funcionar como um laser de eletrões livres depende principalmente da qualidade dos feixes de eletrões. O nosso estudo mostra que um novo acelerador híbrido de laser-plasma poderia criar os pré-requisitos necessários. Iremos testar esta abordagem experimentalmente num futuro próximo.»
O professor Hidding sobre as perspetivas futuras: «Como um sistema deste tipo é muito compacto e pode ser construído por uma fração do custo dos aceleradores de partículas convencionais, também poderia ser instalado em universidades e centros de investigação, ou utilizado para fins comerciais. A imagiologia e a espectroscopia de raios X na janela da água podem, assim, ser expandidas de apenas alguns grandes laboratórios nacionais para um panorama de investigação mais alargado.»
O estudo foi realizado no âmbito de uma parceria estratégica entre a HHU e a ELI Beamlines, e financiado pela Fundação Alemã de Investigação, pelo Ministério Federal da Investigação, Tecnologia e Espaço, e através de programas europeus de financiamento à investigação, como o European Plasma Research Accelerator with eXcellence (EuPRAXIA).
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