Investigadores del MIT, trabajando junto a expertos de la NASA, han desarrollado un nuevo concepto para un 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 sondear el interior de objetos de metal como las pilas, baterías, y motores, incluso cuando está en uso, para aprender detalles de su estructura interna.
Los instrumentos de neutrones también son especialmente sensibles a las propiedades magnéticas y de elementos más ligeros que son importantes en los materiales biológicos.
El nuevo concepto se ha descrito en una serie de trabajos de investigación de este mismo año, incluyendo uno publicado esta semana en Nature Communications por el postdoctorado del MIT Dazhi Liu, el investigador científico Boris Khaykovich, el profesor David Moncton, y otras cuatro personas.
Moncton, profesor adjunto de física y director del Laboratorio de Reactor Nuclear del MIT, dice que Khaykovich propuso por primera vez la idea de adaptar un concepto de 60 años de edad, sobre una forma de enfocar 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 cámaras estenopeicas: sistemas de imágenes en bruto que sólo dejan pasar la luz a través de una pequeña abertura. Sin componentes ópticos eficientes, estos dispositivos producen imágenes débiles con poca resolución.
“Con respecto a neutrones, no se han producido dispositivos de enfoque de alta calidad”, dice Moncton. “En esencia, todos los instrumentos de neutrones desarrollados a lo largo de medio siglo son cámaras estenopeicas con eficacia. Pero con este nuevo avance, estamos convirtiendo la imagen de neutrones de la era de las cámaras estenopeicas en una era de auténtica óptica.” ”El nuevo dispositivo de espejo actúa como la lente de formación de imágenes de un microscopio óptico”, añade Liu.
Debido a que los neutrones interactúan mínimamente con la materia, es difícil de enfocar haces de ellos para crear un telescopio o un microscopio. Sin embargo, un concepto básico para lograrlo fue propuesto por Hans Wolter en 1952 y más tarde se convirtió en realidad bajo los auspicios de la NASA, en forma de telescopios como el Observatorio Chandra de rayos X en órbita (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 tenga en cuenta que la superficie posea un ángulo bajo, esta es la base física de un espejismo del desierto. Usando el mismo principio, espejos con ciertos revestimientos pueden reflejar neutrones en ángulos poco profundas.
El instrumento real utiliza varios cilindros reflectantes uno dentro de otro, a fin de aumentar el área superficial 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, lo que permitiría imágenes mucho más nítidas, instrumentos mucho más pequeños, o ambas cosas.
El equipo inicialmente diseñó y optimizó el concepto digitalmente, fabricando un pequeño prototipo del aparato y demostró su capacidad utilizando una instalación de haz de neutrones en el Laboratorio de Reactor Nuclear del MIT.
Trabajo posterior que requería de 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; otros métodos no formados de imágenes que explotan la dispersión de neutrones podrían beneficiarse también. Debido a que los haces de neutrones son relativamente de baja energía, son “una sonda de dispersión mucho más sensible”, dice Moncton, gracias a “átomos o momentos magnéticos que se mueven en un material.”
Los investigadores planean construir un sistema optimizado de microscopio de neutrones en colaboración con el NIST, que ya cuenta con un centro de investigación importante trabajos con neutrones. Se espera que este nuevo instrumento cueste unos cuantos millones de dólares.
Moncton señala que un reciente avance en el campo fue la construcción de una instalación de 1.400 millones que proporciona un aumento de diez veces el flujo de neutrones. “Teniendo en cuenta el costo de producir haces de neutrones, es fundamental dotarles de ópticas lo más eficientes posible”, 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 EE.UU..
MIT
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