Las técnicas con haces de iones permiten discernir y cuantificar los elementos atómicos presentes en una muestra, la relación cuantitativa entre ellos y, de esta forma, su composición química. Su sensibilidad es tal, que los elementos traza también aparecen en los análisis. Además, cuenta con la capacidad para averiguar la profundidad a la que se encuentra cada elemento, así como el espesor de cada capa en la que está estructurado el material, proporcionando información valiosa para conocer las técnicas y materiales utilizados en la fabricación, la procedencia de las materias primas, etc.

Esta tecnología que, en una primera impresión podría parecer lejana a la sociedad, tiene un sinfín de aplicaciones en áreas de la vida como Ciencias de Materiales, Microelectrónica y Optoelectrónica, Arqueología, Patrimonio Histórico, Nanotecnología y Nanociencia, Ciencias del Medio Ambiente, Física Nuclear, Medicina y Biología, entre otras.

Pero ¿cómo funciona un acelerador de iones?

El principio básico de funcionamiento de las técnicas con haces de iones es sencillo. Los iones son átomos que al extraerles o añadirles electrones se cargan, siendo susceptibles de ser dirigidos por campos eléctricos o magnéticos. Estos iones son acelerados hasta energías de millones de electrón voltios (MeV) en dirección a la muestra que se quiere examinar. Al alcanzar la muestra e interaccionar con ella, se producen distintos fenómenos (alteración de ubicación de los electrones, rebote del ión, excitación del núcleo,...) emitiéndose partículas cuyo número se cuenta en detectores realizados a partir de materiales semiconductores como el silicio.

En función del tipo de estudio que se quiera realizar, el personal del Parque Científico de Madrid utiliza una de las diferentes técnicas de medición de que dispone el acelerador en función de si las partículas emitidas son los mismos iones, partículas de la muestra, rayos X o rayos Gamma.

Beneficios para la arqueología, arte y medioambiente

Si el objetivo es analizar la composición de una obra pictórica o de una pieza arqueológica, la técnica más adecuada es la denominada PIXE (Particle Induced X-ray Emission). Se trata de una técnica que permite determinar en minutos la composición elemental de una muestra.

Cuando los átomos de la muestra se bombardean con protones (núcleos de hidrógeno) o partículas alfa (núcleos de helio) de 2 a 3 MeV, los electrones de sus capas más internas "suben" hasta las capas exteriores, dejando su lugar vacante. Para volver a su estado inicial de más baja energía, los electrones de las capas externas "caen" a un capa interna liberando radiación X característica de la transición entre los niveles en que ha realizado el salto. Un detector de un material semiconductor (silicio o germanio generalmente) cuenta radiación X emitida y a partir de allí es posible cuantificar la cantidad presente del elemento.

Esta técnica es de una altísima precisión, siendo especialmente adecuada para la detección de elementos traza, además de permitir el análisis simultáneo de todos los elementos presentes en la muestra, excepto aquellos con número atómico menor que 11 (Na).

Es una técnica interesante para utilizarse en el estudio de obras arqueológicas y de arte ya que se les realiza un análisis no destructivo, no necesitan ningún tratamiento previo y pueden ser de gran tamaño por poder llevarse a cabo en condiciones atmosféricas y no de vacío. La técnica PIXE permite realizar un informe científico de la composición de las obras de la cual extraer conclusiones que desvelen los misterios que esconden.

Otra aplicación muy interesante de esta técnica son los estudios medioambientales. Sólo se necesita colocar un filtro en la zona que se quiere estudiar, sea tierra, agua o aire. El estudio del filtro con la tecnología PIXE revela todos y cada uno de los elementos que han pasado por él, pudiéndose determinar los elementos presentes en la zona.

Otra de las técnicas utilizadas por el Acelerador de iones, es la denominada PIGE (Particle Induced Gamma Ray Emission). En esta técnica se lanza una partícula cargada, generalmente protones, contra el blanco objeto de estudio, pero generándose una reacción en el núcleo de los átomos. Al tratar de volver a su estado inicial, se emiten rayos Gamma. La cantidad de fotones (fotón: mínima cantidad de energía para una longitud de onda dada) Gamma emitidos, generalmente de mayor energía que los fotones de los rayos X, se cuentan por un detector, obteniéndose la concentración del elemento bajo estudio.

La técnica PIGE está indicada para el estudio de elementos de bajo peso atómico, obteniéndose sensibilidades de partes por millón en el caso de elementos como el litio, el berilio, el flúor o el sodio, complementando, de esta forma, el análisis PIXE.

Mejora de procesos y productos

Una tercera técnica de haces de iones es la RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy), que proporciona información de la composición (qué hay y en qué cantidad) y de la profundidad a la que se encuentran los elementos de una muestra. Por ello es una técnica idónea para aquellas industrias que utilizan multicapas para crear diferentes efectos. Por ejemplo, la industria del vidrio, de semiconductores o de cerámica con el conocimiento microscópico de los materiales que utilizan pueden dar una explicación científica a los comportamientos de los mismos pudiendo mejorar sus productos y optimizar sus procesos.

Los iones, tras el impacto con los átomos de la muestra, rebotan en dirección al detector. A mayor masa del átomo impactado, con mayor energía rebota el ión. Este hecho permite diferenciar las masas atómicas que componen la muestra. Asimismo, el ión incidente, además de la energía cedida en la colisión, pierde energía tanto en el camino de entrada como en el de salida, después de la colisión. Esta pérdida de energía permite averiguar a qué profundidad dentro del material se ha producido la colisión.

Aunque la técnica de RBS se ha orientado principalmente a estudios relacionados con Ciencia de Materiales, estudio de películas delgadas, semiconductores y nanoestructuración, también resultan muy útiles para el estudio de objetos artísticos, pudiéndose determinar la distribución de los elementos en profundidad, de muestras estratificadas o formadas por capas de distintas composición o recubiertas, o para desenmascarar elementos ocultos a PIXE o PIGE, en especial los de compuestos orgánicos. Entre sus ventajas se encuentra el bajo tiempo de análisis, una elevada sensibilidad para elementos pesados, análisis y detección simultánea de todos los elementos y el obviar la utilización de estándares debido a la tabulación de las secciones eficaces.

Para medir elementos ligeros, también está la técnica ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis) en la cual se mide la energía desprendida, no del ión rebotado tal y como sucede con la técnica PIXE, sino de la molécula impactada que por su ligereza experimenta un desplazamiento en la misma trayectoria del ión lanzado.

Como es habitual, la elección de la o las técnicas experimentales, se realiza según la información que se desee obtener: elementos presentes en la muestra y su perfil de concentración, profundidad a la que se encuentran, etc. Para un análisis más exhaustivo, la utilización de varias técnicas simultáneamente suele ser más eficiente.

"El potencial del acelerador de iones es inmenso. Pero es necesario que los diferentes sectores sociales sepan que no se trata de una tecnología lejana, sino que tiene una aplicación directa en campos como la arqueología, la pintura, el medioambiente o en empresas de materiales como semiconductores, cerámicas, fibras ópticas o vidrios", afirma David Martín y Marero, Director Científico de la Unidad de Microanálisis de Materiales.

En resumen, los avances actuales en Física Atómica y Nuclear han puesto al servicio de la sociedad nuevas técnicas no destructivas, únicas en su género y lo que es más importante, al alcance de cualquier grupo de investigación, museo, o entidad pública o privada. De esta forma, el Parque Científico de Madrid, gracias a la Universidad Autónoma de Madrid, pone un equipamiento científico de altísimo potencial al servicio de toda la sociedad. Solo queda que todos estemos abiertos a descubrir las posibilidades que ofrece esta técnica y aplicarla en la mejora de los procesos.

(Artículo publicado en la revista Life Science Lab)