¡Hola a todo el mundo!

Quizás algunos de vosotros habéis oído hablar de lo que es un sincrotrón. En Barcelona funciona el ALBA, un sincrotrón de tercera generación; en Hamburgo tenemos el llamado PETRA III, también de tercera generación, y alrededor del mundo habrá entre veinte y treinta aceleradores de este tipo para investigación básica y aplicada. Resumiendo mucho, en un sincrotrón se aceleran electrones alrededor de un anillo de aproximadamente de un kilómetro de diámetro. Estos electrones viajan agrupados en los llamados "electron bunches" a velocidades relativistas (próximas a la velocidad de la luz). Cuando se fuerza los electrones, normalmente con campos magnéticos, a viajar zigzagueando o a seguir una curva, estos emiten radiación de sincrotrón con longitudes de onda entre el ultravioleta extremo y los rayos X, una consecuencia de las leyes de la relatividad. De hecho, los primeros sincrotrones allá en los años cincuenta y sesenta eran máquinas para la física de partículas como hoy el CERN en Ginebra. Los científicos de materiales y biólogos pedían "permiso" a sus colegas físicos de partículas para aprovechar los rayos X que se producían en las curvas del sincrotrón para sus experimentos. Los sincrotrones modernos se construyen con la única finalidad de generar rayos X y son mucho más eficientes que aquellos que habían sido utilizados en modo parasitario.

 

El edificio curvado es la sección del sincrotrón PETRA III donde se realizan experimentos. El edificio circular es el DESY

 

Los rayos X se caracterizan por tener una longitud de onda muy corta, del orden de las distancias entre átomos en moléculas y materiales. Quizá la aplicación más importante de los sincrotrones, aunque hay más, es la determinación de estructuras de biomoléculas y materiales por difracción de rayos X. Al incidir en un cristal de la molécula de interés la luz es difractada (digamos que los fotones interaccionan con los átomos y son desviados a diversos ángulos). Debido a la corta longitud de onda de los rayos X, del orden de la distancia entre átomos, la imagen difractada posee información de la estructura tridimensional del cristal y esta puede ser reconstruida (el proceso de inversión). Esto es muy diferente de las fotos de rayos X en el hospital. Allí la imagen obtenida es simplemente una sombra causada por la diferente penetración de los rayos X en los diversos tejidos, especialmente el hueso.

Los sincrotrones son los caballos de batalla de la "x-ray science" actual. La gran mayoría de las estructuras de proteínas registradas en el "Protein Data Bank", un registro con la gran mayoría de estructuras conocidas, se han obtenido en sincrotrones, y la estructura de la doble hélice del ADN fue descubierta con técnicas de difracción de rayos X a inicios de los años 50. Otras aplicaciones incluyen el estudio de propiedades eléctricas y magnéticas de materiales, y un largo etcétera.

Pero hay algunos problemas para los cuales los sincrotrones no son la mejor herramienta.

Para determinar estructuras en sincrotrones hacen falta muy buenos cristales ya que la intensidad de luz es demasiado baja para trabajar con moléculas aisladas o cristales pequeños. ¿Qué pasa si no es posible cristalizar la proteína que queremos determinar?  Esto sucede con la gran mayoría de las proteínas de membrana, importantísimas ya que controlan el flujo de componentes de todo tipo en las células.

Otro ejemplo es el paso de reacciones químicas por el llamado estado de transición, la estructura intermedia entre reactivos y productos, que tiene lugar en tiempos del orden de femtosegundos (1s = 1.000.000.000.000.000 fs, 15 ceros...) Los pulsos de luz de sincrotrón tienen una duración del orden de los 100 picosegundos, lo que supone 100.000 femtosegundos. ¿Qué pasa si estamos interesados en seguir los detalles de la dinámica de un proceso químico en tiempo real, la llamada "molecular movie" o película molecular?

En otro post os daré algunas pistas sobre las fuentes de rayos X de cuarta generación, los llamados láseres de electrones libres o FELs (del inglés "free-electron lasers"), de los cuales hay todavía sólo dos en el mundo en estas longitudes de onda tan cortas y que vienen a dar respuesta a algunas de las limitaciones fundamentales de los sincrotrones convencionales.

¡Un saludo!

Oriol Vendrell
Oriol Vendrell

Investigador y jefe de grupo en la División de Teoría del Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) en el centro de sincrotrón alemán (DESY) en Hamburgo. Químico teórico.

Nos preguntamos cómo funciona la materia a escala atómica y cómo la podemos comprender mejor con las modernas fuentes de luz basadas en aceleradores de electrones. Utilizamos herramientas teóricas y simulaciones e intentamos convencer a nuestros colegas experimentales para que se aventuren a experimentos imposibles.

Sobre este blog

Enzimas rompen y forman enlaces químicos, cargas eléctricas cruzan membranas moleculares, electrones fluyen sin resistencia a través de superconductores, y nosotros asistimos estupefactos al espectáculo. La comprensión y el control del funcionamiento de la materia a escala atómica es uno de los grandes retos de la ciencia actual. ¡Allá vamos!

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