Agua extrema

Las estrellas, las explosiones nucleares y el universo primigenio son tres ámbitos donde la materia existe en condiciones extremas de presión, temperatura y densidad. No obstante, durante las últimas décadas, cada vez es más fácil tener acceso a la materia extrema en el laboratorio.

Imagen hecha por un artista de una explosión de rayos gamma,
donde normalmente se producen condiciones extremas.
(Autor: ESO/L. Calçada).

El agua es uno de los materiales favoritos debido a su casi incompresibilidad y su relevancia en los interiores de los planetas gigantes. Pero llevar el agua al extremo normalmente requiere unos 100 kJ de energía por experimento.

 Un equipo de físicos del Instituto Tecnológico de Israel Technion ha podido generar agua extrema a una escala menor. Cogieron alambres de cobre o aluminio y los enrollaron alrededor de una bola que luego disolvieron, creando una caja esférica formada por los alambres. Esta caja se conecta a un generador de energía pulsante, con una acumulación de energía de unos 6 kJ.

Cuando se sumerge la caja en agua y se libera de repente la energía acumulada, los alambres se volatilizan y producen potentes ondas de choque que se superponen para formar una onda mayor que converge en el centro de la esfera. Ahí, durante menos de un microsegundo, el agua se comprime hasta siete veces.

Combinando los resultados experimentales y las simulaciones, los investigadores dedujeron que la temperatura del agua alcanza casi 10⁵ K (más caliente que la superficie del Sol) a una presión de 2×10⁷ atm (mayor que en el núcleo interno de la Tierra). Sorprendente, ¿verdad?
_____
Fuente:
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/65/12/10.1063/PT.3.1815

Plástico que detecta materiales nucleares

En el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de California (LLNL por sus siglas en inglés) han desarrollado un plástico económico y no peligroso para detectar los patrones neutrónicos característicos de materiales que pueden usarse para crear armas nucleares. Es capaz de distinguir eficientemente neutrones y rayos gamma, por lo que podría usarse en detectores de radiación de mano para las inspecciones internacionales de las plantas de enriquecimiento de uranio y los reactores nucleares. Podría llegar a reemplazar o complementar los detectores de neutrones de los monitores de portal de radiaciones que usan el escaso helio-3.

Examinando el nuevo plástico con un instrumento
que produce luz ultravioleta y hace que el material
brille con un color azulado.

Los detectores de ³He identifican neutrones térmicos (de baja energía), mientras que este nuevo polímero centellea con los neutrones de alta energía, los que emiten los isótopos fisibles uranio-235 y plutonio-239. Estos neutrones tienen un gran poder de penetración y se pueden detectar a decenas de metros de la fuente. Además, el nivel de fondo de neutrones rápidos es dos órdenes de magnitud más bajo que el de los neutrones térmicos, por lo que sólo es necesario detectar unos pocos para indicar la presencia de materiales susceptibles de ser usados en armas.

Monitores de portal que usen el nuevo material podrían estar listos para ser probados en menos de dos años, a lo que seguirían los detectores de mano. Podría incluso llegar a reemplazar definitivamente los centelladores líquidos que suelen usarse en las tomografías de neutrones y otras aplicaciones científicas.

El equipo está ahora tratando de elaborar un plástico que detecte neutrones térmicos, que son los que identifican los tubos de ³He en la mayoría de monitores de portal actuales.
_____
Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i3/p28_s1

AMS para datación en arqueología

(Te recomiendo que te leas antes los artículos Aceleradores, arte y arqueología y PIXE en el mundo del arte.)

La espectrometría de masas con aceleradores (AMS por sus siglas en inglés), al igual que la espectrometría de masas convencional, identifica un radionúclido (núclido inestable) específico separándolo de otros isótopos con diferentes relaciones masa/carga. Pero en la AMS, un acelerador proporciona energía a los iones liberados de la muestra. Estos iones altamente energéticos se pueden tratar con las técnicas de física nuclear que detectan, por ejemplo, el tiempo de vuelo, la energía E, el poder de frenado (la velocidad dE/dx de atenuación de la energía con la distancia x cuando una partícula atraviesa un medio) y la posición en un plano focal. Tal información determina el número másico A y el número atómico Z de un isótopo, a la vez que permite la identificación de un isótopo específico, incluso si se encuentra en un fondo isotópico (misma Z) e isobárico (misma A) que puede ser hasta 16 órdenes de magnitud mayor.

La espectrometría de masas con aceleradores es ahora la herramienta más popular para la datación de artefactos arqueológicos. Y en parte es debido a que el método requiere sólo una pequeña cantidad de material para obtener una precisión excepcional. Ejemplos famosos de la datación con AMS son la Sábana Santa de Turín y Ötzi, una momia natural descubierta en 1991 en la frontera entre Austria e Italia. En ambos casos, se usaron muestras que no pesaban más de unas decenas de miligramos y fueron fechadas mediante la desintegración del carbono 14. De hecho, el grado de precisión que proporciona la datación de carbono 14 mediante AMS está ahora inspirando el desarrollo de sistemas cada vez más pequeños y de más fácil manejo.
_____
Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i1/p58_s1

PIXE en el mundo del arte

(A modo de introducción, puedes leer el artículo Aceleradores, arte y arqueología.)

Cuando un haz de protones interacciona con el material de una muestra, puede liberar electrones atómicos de capas internas. A medida que otros electrones se relajan y llenan el hueco, emiten radiación electromagnética, mayoritariamente rayos X, que es característica de cada elemento. De este modo, la técnica de Emisión de Rayos X Inducida por Partículas (PIXE por sus siglas en inglés) es un método de análisis atómico que nos permite llegar a conocer la concentración de los elementos en la superficie de la muestra. Variando la energía del haz se puede profundizar en la muestra y los haces finos permiten un análisis puntual a nivel microscópico. Además, la relación señal/ruido es más baja que con otros métodos, como la fluorescencia de rayos X.

Aplicada al mundo del arte, PIXE ayuda a identificar la composición de pigmentos u otros materiales de una obra de arte. Por este motivo, cada vez tiene un mayor impacto en el análisis forense de supuestas falsificaciones. El análisis de monedas antiguas proporciona información sobre el proceso de acuñación y también da idea de los desarrollos económicos. Por ejemplo, la inflación durante el Imperio romano se refleja en una continua devaluación del denario de plata, pues se iba reemplazando gradualmente la plata por metales de menor valor.

Un caso bien conocido de cómo PIXE ayuda en la datación comparativa es el análisis de la tinta usada por Galileo Galilei en sus escritos y notas, en los que con frecuencia falta la fecha. Ese análisis ha llevado a una mejor comprensión de los procesos de pensamiento de Galileo y de su papel en la historia de la ciencia. Otro ejemplo es la secuencia de dibujos a punta de plata de Alberto Durero, que viajaba periódicamente a la corte imperial para recibir su estipendio anual. En esos viajes, usaba varillas de punta de plata, compradas en diferentes sitios, para dibujar paisajes locales o para grabar momentos e ideas que usaría después en sus pinturas. PIXE ha hecho posible la determinación del orden en que esos dibujos fueron hechos, lo que permite comprender mejor el desarrollo artístico de Durero.

Para conocer otra técnica con aceleradores, puedes leer el artículo AMS para datación en arqueología.
_____
Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i1/p58_s1

Aceleradores, arte y arqueología

Los mundos del arte y de la arqueología han adaptado técnicas desarrolladas en los laboratorios de física nuclear para descubrir dónde y cuándo fue creado un artefacto o una obra de arte.

Todos sabemos que los expertos de arte representan un papel importante a la hora de identificar el estilo, la historia y el contexto de un cuadro, pero hacen falta otras fuentes para identificar y clasificar una pieza de arte con una base científica sólida.

Un buen número de métodos con orígenes en la biología, la química y la física han permitido a los científicos e historiadores de arte mirar bajo la superficie de una pintura o un artefacto. No sólo eso: también han ayudado a analizar en detalle los pigmentos usados, a investigar las técnicas de pintura y las modificaciones hechas por el artista o los restauradores, a encontrar restos de materiales que revelen la época y la procedencia, y a más cosas.

Esas técnicas pueden proporcionar información suficiente para afirmar o negar la autenticidad de una obra de arte o un artefacto; y ese tipo de información puede ser asimismo esencial para una adecuada restauración o conservación de la pieza en cuestión. En concreto, la física nuclear ha proporcionado numerosas técnicas de análisis y detección que incluyen haces iónicos acelerados en aceleradores de tamaño pequeño o mediano, como aceleradores electrostáticos o ciclotrones.

Varios laboratorios con aceleradores operan únicamente para hacer accesible el uso de estas técnicas con haces al mundo del arte y la arqueología. La mayoría de estas instalaciones se encuentran en Europa, como el Centro Nacional de Aceleradores de Sevilla (España).

Como ejemplo de este tipo de técnicas, escribiré un par de artículos sobre PIXE y AMS. Espéralos en breve.
_____
Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i1/p58_s1

La física nuclear ayuda a detectar cáncer de mama

Ya lo sabíamos, pero aquí va otro ejemplo de cómo la física puede ayudar a mejorar la vida diaria. Edward Flynn es un físico nuclear que trabajó en el Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL) durante 38 años. Cuando a su esposa le diagnosticaron un cáncer de mama, la experiencia única que había adquirido mediante los años de investigación le fueron particularmente útiles para enfrentarse al problema. La cuestión era si podría desarrollar una mejor herramienta de detección utilizando nanopartículas y sensores magnéticos.

Se puso manos a la obra y creó una técnica en la que se le inyectan al paciente nanopartículas de óxido de hierro cubiertas de anticuerpos, los cuales se adhieren a células cancerosas específicas presentes en un tumor. Después se somete al paciente a un pequeño campo magnético que alinea las nanopartículas metálicas; y cuando se apaga el campo, las nanopartículas emiten una señal magnética que es detectada por unos sensores SQUID (v. Diccionario). La medida de esta señal muestra a los doctores cuántas partículas metálicas hay (y, por tanto, cuántas células cancerosas) y en qué parte se encuentran.

Este sistema requiere sólo un número muy pequeño de células cancerosas, aproximadamente 100.000, frente a los varios millones de células que se necesitan para una mamografía, por lo que permite que se detecten los tumores mucho antes. Según Flynn, se puede detectar un tumor de cáncer de mama con 100% de precisión hasta tres años antes que con una mamografía. Asimismo, permite monitorizar el tratamiento más de cerca, ya que se puede medir el número de células presentes y así ayudar a los médicos en la detección de la metástasis.

Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201110/profiles.cfm?renderf