Este artículo se publica en colaboración con MIT News.
La tecnología más utilizada para producir rayos X, empleada desde la imagen médica y dental hasta la comprobación de grietas en materiales industriales, ha permanecido esencialmente igual durante más de un siglo. Sin embargo, según un nuevo análisis de investigadores del MIT y de Singapur, eso podría llegar a cambiar en los próximos años.
El hallazgo, basado en una nueva teoría respaldada por simulaciones exactas, muestra que una lámina de grafeno, una forma bidimensional de carbono puro, podría utilizarse para generar ondas superficiales llamadas plasmones cuando la lámina recibe fotones de un haz láser. A su vez, estos plasmones podrían activarse para generar un pulso agudo de radiación, sintonizado con longitudes de onda que van desde la luz infrarroja hasta los rayos X.
Además, la radiación producida por el sistema tendría una longitud de onda uniforme y estaría muy alineada, de forma similar a la de un haz láser. El equipo afirma que esto podría permitir en el futuro sistemas de rayos X de menor dosis, lo que los haría más seguros. El nuevo trabajo se publica esta semana en la revista Nature Photonics, en un artículo de los profesores del MIT Marin Soljačić y John Joannopoulos, y de los posdoctorados Ido Kaminer y Ognjen Ilic, junto con Liang Jie Wong, del Singapore Institute of Manufacturing Technology.
Soljačić afirma que existe un interés creciente por encontrar nuevas formas de generar fuentes de luz, especialmente a escalas que puedan integrarse en microchips o que reduzcan el tamaño y el coste de los haces de alta intensidad utilizados en la investigación científica básica y biomédica. De todas las longitudes de onda de la radiación electromagnética empleadas habitualmente en aplicaciones, dice, «los rayos X coherentes son especialmente difíciles de generar». Además, son los de mayor energía. El nuevo sistema podría, en principio, crear fuentes de luz ultravioleta en un chip y dispositivos de rayos X de sobremesa capaces de producir los haces que hoy requieren aceleradores de partículas enormes, de varios millones de dólares.
Para producir haces de rayos X enfocados y de alta potencia, «el enfoque habitual consiste en crear partículas cargadas de alta energía [mediante un acelerador] y “agitarlas”», explica Kaminer. «Las oscilaciones producen los rayos X. Pero ese enfoque es muy caro», y las pocas instalaciones disponibles en el país capaces de generar estos haces están muy saturadas. «El sueño de la comunidad es hacerlos pequeños y económicos», afirma.
La mayoría de las fuentes de rayos X dependen de electrones de energía extremadamente alta, que son difíciles de producir. Sin embargo, el nuevo método lo evita aprovechando el poder de confinamiento de los plasmones, similares a ondas, que se generan cuando una lámina de grafeno con un patrón especial recibe fotones de un haz láser. Estos plasmones pueden liberar después su energía en un haz estrecho de rayos X cuando se activan mediante un pulso de un cañón de electrones convencional, similar a los que se encuentran en los microscopios electrónicos.
«La razón por la que esto es único es que prácticamente evitamos el problema de acelerar los electrones», afirma. «Todos los demás enfoques implican acelerar los electrones. Este es único por producir rayos X a partir de electrones de baja energía».
Además, el sistema sería único por su capacidad de sintonización, pues podría proporcionar haces de luz de una sola longitud de onda desde el infrarrojo, pasando por la luz visible y el ultravioleta, hasta los rayos X. Kaminer explica que hay tres entradas distintas que pueden usarse para controlar la sintonización de la salida: la frecuencia del haz láser que inicia los plasmones, la energía del haz de electrones que los activa y el «dopaje» de la lámina de grafeno.
Según el equipo, estos haces podrían tener aplicaciones en cristalografía, técnica empleada en muchos campos científicos para determinar la estructura atómica precisa de las moléculas. Gracias a su haz estrecho y concentrado, el sistema también podría permitir localizar con mayor precisión las radiografías médicas y dentales, reduciendo así potencialmente la dosis de radiación que recibe el paciente, señalan.
Hasta ahora, el trabajo es teórico y se basa en simulaciones precisas, pero las simulaciones del grupo en el pasado han tendido a coincidir bastante bien con los resultados experimentales, afirma Soljačić. «En nuestro campo tenemos la capacidad de modelizar estos fenómenos con gran exactitud».
Actualmente, el equipo construye un dispositivo para probar el sistema en el laboratorio, empezando por la producción de fuentes ultravioleta y avanzando después hacia los rayos X de mayor energía. «Esperamos tener una confirmación sólida de los principios en el plazo de un año y, si todo va bien, de los rayos X con optimismo en tres años», afirma Soljačić.
Pero, como ocurre con cualquier tecnología radicalmente nueva, reconoce que el diablo está en los detalles y que podrían surgir problemas inesperados. Por ello, su estimación de cuándo podría surgir de esto un dispositivo práctico de rayos X es, dice con una sonrisa, «de tres años a nunca».
Hrvoje Buljan, profesor de Física de la Universidad de Zagreb (Croacia), que no participó en este estudio, afirma que el trabajo supone «un nuevo enfoque significativo para producir radiación de rayos X». Añade: «Todavía falta realizar la implementación experimental. Según la propuesta, todos los ingredientes para los experimentos de prueba de principio están presentes, y dichos experimentos serán factibles».
El trabajo contó con el apoyo del Laboratorio de Investigación del Ejército de Estados Unidos y de la Oficina de Investigación del Ejército de Estados Unidos, a través del Instituto de Nanotecnologías para Soldados; del Science and Engineering Research Council, A*STAR, Singapur; y de la beca Marie Curie IOF del Consejo Europeo de Investigación.
La publicación no implica el respaldo de las opiniones por parte del Foro Económico Mundial.
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Autor: David L. Chandler escribe para MIT News.
Imagen: el doctor Al Story, responsable clínico, señala una radiografía de un par de pulmones infectados con tuberculosis (TB). REUTERS/Luke MacGregor
