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Los haces de iones

Ya sea para determinar el origen de contaminantes, caracterizar contaminantes presentes en los alimentos, obtener imágenes de células biológicas individuales o determinar la antigüedad de objetos históricos, los científicos utilizan los haces de iones para darnos respuestas. Pero, ¿qué son y cómo se utilizan?

Como su nombre indica, los haces de iones son corrientes de átomos cargados eléctricamente. Los iones de un haz se producen mediante unos instrumentos especiales llamados fuentes de iones. Estos adquieren velocidad al entrar en un campo eléctrico, que se genera en un acelerador de partículas, y campos magnéticos los dirigen y centran para que tracen trayectorias paralelas en un vacío dentro de un tubo metálico. En función del tipo de acelerador, es posible acelerar los haces de iones a una velocidad cercana a la de la luz.

En el caso de los aceleradores electroestáticos tándem, los haces de iones son bombardeados en una muestra de material o un objeto.  La interacción con el material puede hacer que los iones del haz cambien de dirección, o la colisión puede provocar que se liberen partículas o radiación, principalmente en forma de rayos X o rayos gamma, radiación que es posible detectar y analizar.

Las propiedades de la energía y de la radiación emitida revelan detalles sobre la composición de la muestra bombardeada, por ejemplo, si es cristalina o no, su dureza y propiedades físicas que son de interés para las tecnologías emergentes. Asimismo, los materiales de muestra u objetos bombardeados pueden variar en cuanto a forma y fase de la materia, y pueden ser láminas; pequeñas pastillas de suelo; células humanas, animales o vegetales; semillas; rocas; líquidos o incluso bienes históricos o estatuas. Dependiendo de la forma y composición del material, el bombardeo puede producirse en un vacío o en aire.

Gracias a sus capacidades únicas de análisis y modificación, los haces de iones acelerados se usan en muchas aplicaciones.  En el fitomejoramiento por inducción de mutaciones, se utilizan para irradiar material vegetal o plántulas con el fin de acelerar su proceso de evolución natural induciendo mutaciones, a efectos de conseguir que los cultivos tengan mayor rendimiento o sean resistentes a enfermedades y sequías.

Los protones y otros iones se utilizan mucho para producir los radioisótopos necesarios para crear radiofármacos destinados al diagnóstico y el tratamiento del cáncer. En la terapia oncológica se utilizan haces de protones y de iones de carbono para bombardear tumores cancerosos, especialmente cuando no es posible administrar otra terapia. Estos haces suministran energía a un tumor para calentarlo y desintegrarlo.

Con el aumento de la demanda de materiales más fuertes y mejores, también se utilizan diversos haces de iones para modificar las propiedades de los materiales y, así, reforzar su resistencia. Un ejemplo de ello son los vehículos espaciales o los reactores de fusión, que precisan materiales que les permitan operar en entornos con altos niveles de radiación.

Haces de electrones

De manera similar a los haces de iones, los haces de electrones son una corriente de electrones generada por fuentes de electrones en diversos tipos de aceleradores. Se utilizan para producir rayos X, que se aplican en los tratamientos médicos para irradiar y destruir células cancerosas. Los haces de electrones o los rayos X también se emplean para irradiar alimentos y destruir bacterias peligrosas sin degradar su valor nutricional, su calidad ni su sabor.

Los países de todo el mundo pueden sacar provecho de los haces de iones y electrones, y el OIEA planea crear su propia instalación de haz de iones (IBF) tándem de última generación en Seibersdorf (Austria). Con este acelerador, el OIEA prestará apoyo a las actividades de investigación y ayudará a formar y capacitar a científicos de todo el mundo sobre las diversas aplicaciones de los haces de iones, entre ellas, la producción de partículas secundarias como los neutrones.

“Los haces de partículas son sondas excepcionales que pueden utilizarse no solo para comprender mejor el universo, sino también para analizar y aprovechar los procesos físicos capaces de mejorar la vida y sostener el crecimiento económicoseñala Danas Ridikas, Jefe de la Sección de Física del OIEA. Los aceleradores de partículas son inversiones rentables que contribuyen a lograr un desarrollo sostenible.” Con el nuevo acelerador de haces de iones tándem, el OIEA podrá prestar más ayuda a los países para que refuercen sus capacidades en tecnologías de aceleradores y sus aplicaciones”.

Para que el proyecto de la IBF pueda albergar el acelerador tándem, la infraestructura necesaria y la instrumentación conexa, al igual que los recursos para su funcionamiento, el OIEA busca recaudar aproximadamente 4,6 millones de euros [1].

Fig 1. haz de iones (IBF) tándem de última generación en Seibersdorf (Austria)

Los haces de iones se crean a partir de la aceleración de partículas cargadas. El OIEA apoya su empleo para investigar los efectos de la radiación en los materiales, así como en el desarrollo de aplicaciones para el análisis de materiales.

Las aplicaciones de los aceleradores de haces de iones se pueden dividir en dos amplias esferas: métodos analíticos para determinar la composición elemental e isotópica y el estado estructural de los materiales, y la modificación de materiales.

Algunas técnicas analíticas de haces de iones se basan en estimular la radiación que debe emitir la muestra, por ejemplo los métodos PIXE (emisión de rayos X inducida por partículas) y NRA (análisis por reacciones nucleares), que son sensibles a la composición química o isotópica de los materiales. Otras técnicas usan la dispersión y el retroceso de los iones de la muestra para caracterizar la constitución química y estructural de los materiales o para obtener perfiles de concentración elemental en profundidad.

Los métodos analíticos pueden utilizarse para:

  • determinar el origen de contaminantes como aerosoles de partículas finas en el aire o partículas de sedimentos transportadas por el agua;
  • caracterizar los contaminantes presentes en los alimentos;
  • obtener imágenes de células biológicas individuales; y
  • determinar la distribución de los oligoelementos en los tejidos y los mecanismos de las enfermedades.

Los métodos que emplean haces de iones también se pueden utilizar para analizar de manera no destructiva bienes del patrimonio cultural. Permiten examinar la composición de tintas, pinturas y esmaltes en cerámicas y vidrios a fin de determinar el origen de las obras de arte o de los bienes arqueológicos. Este método también puede revelar si un objeto es auténtico o falso, si en el pasado ha sido alterado, qué mecanismos de corrosión y deterioro han intervenido, y cómo pueden preservarse los bienes afectados.

En la esfera de la modificación de materiales, los haces de iones pueden aplicarse en:

  • la nanotecnología, por ejemplo en la creación de estructuras nanofabricadas;
  • semiconductores y dispositivos electrónicos, por ejemplo mediante la implantación iónica; y
  • la modificación del ADN, por ejemplo el fitomejoramiento por mutagénesis.

Estos métodos también son útiles para llevar a cabo estudios básicos sobre las interacciones entre la radiación y los materiales. Muchos conceptos de reactores avanzados podrían generar grandes flujos de neutrones con energías muy superiores a las que se obtienen de la actual generación de reactores. Estos flujos de neutrones rápidos causan muchos más daños a los materiales presentes en el reactor, como las vainas que rodean el combustible nuclear. Los gases producidos por las reacciones nucleares pueden agravar la dilatación de la vaina. Los haces de iones energéticos se pueden usar para acelerar la velocidad a la que se dañan esos materiales hasta unos niveles que superen considerablemente los alcanzables en un reactor de ensayo. Además, al aplicar simultáneamente dos haces de iones más, pueden producirse dentro del material gases de hidrógeno y helio. Por lo tanto, todos los grandes procesos de daños que se dan dentro de un reactor pueden simularse con haces de iones, lo que permite analizar rápidamente posibles materiales que se estén considerando [2].

[1] https://www.iaea.org/es/bulletin/lo-que-hay-que-saber-sobre-los-haces-de-iones

[2] https://www.iaea.org/es/ciencia-nuclear/haces-de-iones

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