Nuevo tipo de microscopio se basa en neutrones

Los investigadores del MIT, trabajando en asociación con la NASA, han desarrollado un nuevo diseño de microscopio que utiliza neutrones —partículas subatómicas sin carga eléctrica— en lugar de haces de luz o electrones para crear imágenes de alta resolución

Entre otras características, los instrumentos basados en neutrones tienen la capacidad de entrar en los objetos de metal —como las pilas de combustible, baterías y motores, incluso mientras están en uso— para conocer los detalles de su estructura interna. Los instrumentos de neutrones también son especialmente sensibles a las propiedades magnéticas y a los elementos más ligeros, que son importantes en los materiales biológicos.

El nuevo disdeño fue descrito este año en una serie de artículos de investigación, incluyendo uno publicado esta semana en Nature Communications por el postdoctorado del MIT Dazhi Liu, el científico investigador Boris Khaykovich, el profesor David Moncton, y otras cuatro personas.

Moncton, profesor adjunto de física y director del Laboratorio del Reactor Nuclear del MIT, dice que Khaykovich propuso por primera vez la idea de adaptar un diseño de 60 años de edad, sobre una forma de enfocar los rayos X utilizando espejos, para el desafío de construir un microscopio de neutrones de alto rendimiento. Hasta ahora, la mayoría de los instrumentos de neutrones han sido similares a las cámaras estenopeicas: un crudo sistema de imágenes que, simplemente, deja pasar la luz a través de una pequeña abertura. Sin componentes ópticos eficientes, estos dispositivos producen débiles imágenes, con poca resolución.

Más allá de un agujero de alfiler

«No se han producido dispositivos de enfoque de alta calidad para los neutrones», dice Moncton. «En esencia, todos los instrumentos de neutrones desarrollados a lo largo de medio siglo son, en efecto, cámaras estenopeicas». Pero con este nuevo avance, dice, «estamos convirtiendo el campo de la imagen de neutrones desde la era de las cámaras estenopeicas a una era de auténtica óptica.»

«El nuevo dispositivo de espejo actúa como la lente formadora de imágenes de un microscopio óptico», añade Liu.

Debido a que los neutrones interactúan mínimamente con la materia, es difícil enfocar sus haces para crear un telescopio o un microscopio. Sin embargo, Hans Wolter propuso en 1952 un concepto básico para los rayos X, que más tarde se convirtió, bajo el auspicio de la NASA, en telescopios como el Observatorio Orbital Chandra de rayos X (que fue diseñado y es administrado por los científicos del MIT). Los haces de neutrones interactúan débilmente, al igual que los rayos X, y pueden ser enfocados por un sistema óptico similar.

Es bien sabido que la luz puede ser reflejada por una superficie normalmente no reflectora, siempre y cuando se incida sobre la superficie con un ángulo pequeño, algo que es la física básica de un espejismo en el desierto. Usando el mismo principio, unos espejos con ciertos revestimientos pueden reflejar neutrones en ángulos llanos.

Un dispositivo más nítido y más pequeño

El instrumento real utiliza varios cilindros reflectivos anidados uno dentro del otro, a fin de aumentar el área de superficie disponible para la reflexión. El dispositivo resultante podría mejorar el rendimiento de los sistemas de imágenes de neutrones existentes en un factor de aproximadamente 50, dicen los investigadores… lo que permite imágenes más nítidas, instrumentos mucho más pequeños, o ambas cosas.

El equipo primero creó y optimizó el diseño digitalmente, luego fabricó un pequeño instrumento de prueba como una comprobación del principio, y demostró su capacidad utilizando una instalación de haz de neutrones en el Laboratorio del Reactor Nuclear del MIT. Un trabajo posterior, requiriendo un espectro diferente de energías de neutrones, se llevó a cabo en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) y en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST).

Este nuevo instrumento podría ser utilizado para observar y caracterizar muchas clases de materiales y muestras biológicas; también podrían beneficiarse otros métodos no formadores de imágenes que se basan de la dispersión de neutrones. Debido a que los haces de neutrones son de energía relativamente baja, resultan ser «una sonda de dispersión mucho más sensible», dice Moncton, para fenómenos del tipo «cómo se mueven los átomos o los momentos magnéticos en un material.»

Los investigadores planean construir un sistema de microscopía de neutrones optimizado en colaboración con el NIST, que ya cuenta con un centro de investigación importante con haces de neutrones. Este nuevo instrumento costará unos cuantos millones de dólares.

Moncton señala que un reciente avance en el campo fue la construcción de una instalación de us$ 1.400 millones que proporciona un aumento de diez veces en el flujo de neutrones. «Teniendo en cuenta el costo de producir los haces de neutrones, es fundamental dotarles de las ópticas más eficientes posibles», dice.

Además de los investigadores del MIT, el equipo incluyó a Mikhail Gubarev y Brian Ramsey del Marshall Space Flight Center de la NASA, y Lee Robertson y Lowell Crow de ORNL. El trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de EEUU.

Fuente: MIT. Aportado por Eduardo J. Carletti

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