EAFIT cuenta con uno de los cinco espectrómetros Mössbauer que hay en universidades de Colombia
Joaquín Gaviria
Colaborador / Proyectos de investigación
Álvaro Andrés Velásquez Torres, profesor del Departamento de Ciencias Básicas de EAFIT, sabe qué tienen en común la búsqueda de vida en Marte, la seguridad en los supermercados, los tratamientos recientes contra el cáncer, los vehículos de gama alta, los celulares, la calidad del acero, el cemento y las camisetas que se ven en el fútbol internacional.
Para mostrar lo que hace posible semejante conexión se dirige al fondo del Laboratorio de Instrumentación y Espectroscopía de EAFIT. Una vez está al frente de un instrumento color madera, que tiene a su alrededor algunos medidores, dice: “Este es el espectrómetro Mössbauer que construimos en 2011, uno de los cinco que hay en universidades colombianas”.
Este dispositivo logra analizar con gran resolución la estructura nuclear, el entorno químico y las propiedades eléctricas, magnéticas y estructurales de los materiales, sobre todo de los que contienen hierro, el elemento más estudiado de la tabla periódica mediante la espectroscopía Mössbauer.
“Irradiamos con rayos gamma una placa de metal (por ejemplo) en modo de transmisión (TMS) o en modo de electrones de conversión interna (CEMS), para obtener una especie de huella digital del material, sus propiedades magnéticas, eléctricas, químicas y estructurales”, explica el profesor Velásquez. Lo mejor de todo es que después del proceso la muestra puede usarse de nuevo, lo que la convierte en una técnica no destructiva.
Gracias a esta técnica un ingeniero metalúrgico podría analizar el acero previamente para medir su resistencia a la corrosión atmosférica. De esta manera haría modificaciones en el material antes de iniciar la construcción de una obra.
Incluso en este laboratorio se analizaron algunos insumos utilizados en la fabricación de cementos, que parecían dar coloraciones no deseadas en el producto final. Con la técnica Mössbauer el resultado fue una presunta contaminación de los insumos de los cementos con sulfuro de hierro.
Un dispositivo como este puede costar entre 80 y 100 millones de pesos, pero el de EAFIT fue construido en el Laboratorio de Instrumentación y Espectroscopía con la ayuda de estudiantes de Ingeniería Física y de la maestría en Física Aplicada. Dos de los alumnos merecieron artículos en publicaciones internacionales por el desarrollo del transductor de velocidades, al que va atornillada la fuente de rayos gamma y un detector para estudio de superficies hasta profundidades de 200 nm (nanómetros), que se conoce como la cámara detectora de electrones de conversión interna, ambos desarrollos cruciales para el funcionamiento del espectrómetro.
Medir lo que nos rodea
En 2004 los robots Spirit y Opportunity se posaron en Marte. Llevaban entre sus aparatos dos espectrómetros Mössbauer que, aparte de confirmar la gran cantidad del mineral hematita (compuesto de óxido férrico) en la superficie, encontraron, además, jarosita, un mineral parecido a una piedra lumbre que se halla en los terma les. Esa fue la primera evidencia de que hace unos 300 millones de años Marte tuvo agua y ,quizá, vida.
Gracias a los espectrómetros Mössbauer, los robots Spirit y Opportunity en Marte evidenciaron que hace unos 300 millones de años ese planeta tuvo agua y, quizá, vida.
No solo se trata de caracterizar los materiales y las corrosiones, la técnica también abre la posibilidad de determinar cómo afectan la electricidad y el magnetismo algunas propiedades de las muestras para crear, por ejemplo, sensores cada vez más precisos y pequeños.
Incluso se puede trabajar en nanotecnología, es decir, en materiales que puedan sintetizarse a tamaños entre 1 y 100 nanómetros. Para tener una idea de lo pequeño que es un nanómetro, cabe decir que el grosor de un cabello humano está en una escala aproximada de 60 mil nanómetros.
Esto fue lo que llamó la atención de Aida Arnedo León, estudiante de noveno semestre de Ingeniería Física: “Empezamos a trabajar creciendo películas delgadas que contienen partículas de ferrita, un óxido de hierro (del que están hechos casi todos los imanes). Estudiamos la estructura de las películas con microscopios que permiten obtener imágenes en la nanoescala y luego miramos cómo se comportan esas películas frente a diferentes estímulos. Hemos descubierto que puede tener potencial como sensores de temperatura”.
Estas mediciones apuntan también a miniaturizar, toda vez que estas películas responden a los campos magnéticos y podrían remplazar transistores actuales que son mucho más grandes y responden a estímulos eléctricos.
Esto tiene mucho potencial en el mercado de computadores, dispositivos móviles y discos para guardar información. También se pueden mejorar los sensores de las puertas de los vehículos para saber si están cerradas, los sensores de los supermercados para evitar robos de productos y hacer que las bandas magnéticas de las tarjetas de crédito almacenen códigos de seguridad cada vez más complejos.
Fluyen nuevos desarrollos
Santiago Venegas Bayona, estudiante de séptimo semestre de Ingeniería Física, se maravilla al sostener un pequeño recipiente en el que hay un fluido oscuro y viscoso conocido como ferrofluido, que empieza a moverse cuando se le pasa un imán cerca.
Para obtenerlo usan ferritas de cobalto que, a su vez, se obtienen mediante una técnica química que se conoce como dopaje por coprecipitación. “Lo que hacemos es reemplazar uno de los iones de la magnetita por uno de cobalto. El resultado es un material con mejores capacidades magnéticas”, explica Venegas, quien exalta grandes posibilidades para la adherencia y resistencia de pinturas para vehículos y electrodomésticos.
Estos ferrofluidos pueden aplicarse en tratamientos contra el cáncer. El profesor Velásquez explica cómo: “A estas partículas magnéticas se les puede adherir un fármaco que ataque células malignas (un citotóxico). Luego a través de una vena se inyectaría en el cuerpo del paciente. Supongamos que es un cáncer de hígado, entonces con el imán por fuera o introducido cerca del órgano, se podría atraer ese ferrofluido para que se quede en una zona específica. Es lo que se conoce como tratamientos específicos, a diferencia de las quimioterapias tradicionales, en donde el fármaco no se suministra exclusivamente en el órgano afectado”.
La técnica en detalle
Lo que hace la técnica Mössbauer es irradiar con rayos gamma la muestra. Si la energía de los núcleos de los átomos de hierro (en este caso) que hay en la muestra coinciden con la energía de uno de esos fotones (los rayos gamma son haces de fotones), el núcleo los absorbe. Es decir, que se excita y se pone en un estado de energía más elevado.
Mössbauer es muy efectivo para caracterizar hierro, el cuarto elemento más abundante en la naturaleza.
Luego se analizan los picos de absorción en el computador y se determina qué material es y sus propiedades, como si fuera la huella digital de una muestra. En palabras del profesor Álvaro Velásquez, es como ir a “conversar” con el núcleo y darse cuenta cómo el oxígeno, el hidrógeno y otros lo afectan. Esta reconfiguración resultante determina el estado de energía del núcleo.
Este efecto fue descubierto en 1957 por Rudolf Ludwig Mössbauer (1929–2011) en medio de su tesis doctoral en la Universidad Técnica de Munich, Alemania, lo que le valió el Premio Nobel de Física en 1961.
Cincuenta y siete años después de la observación de Mössbauer, un grupo de entusiastas, a océanos de distancia, siguen aprovechando su técnica para desarrollos en medicina, ingeniería, industria, seguridad y muchos campos más. Ellos también se enamoraron de ese efecto que permite ver lo que parecía invisible.
Legislación para energías no convencionales
César Augusto Barrero, profesor del Instituto de Física de la Universidad de Antioquia, destaca que sean dos universidades de Medellín las que aporten dos de los cinco espectrómetros Mössbauerque hay en instituciones de educación superior en el país (los tienen Univalle, la Universidad del Tolima, la UPTC de Tunja, la U. de A. y EAFIT). Él también amplía el margen de acción de esta técnica espectroscópica a la mineralogía, arqueología, industria, software, catálisis, aplicaciones ambientales y un desarrollo que están adelantando con los pigmentos de la malaria, entre otros.
Investigador
Álvaro Andrés Velásquez Torres
Físico, magíster y PhD en Física de la Universidad de Antioquia. Profesor-investigador del Departamento de Ciencias Básicas e investigador del Grupo de Electromagnetismo Aplicado (Gema) de la Universidad EAFIT. Áreas de interés: instrumentación científica, espectroscopía, síntesis y caracterización de materiales.
Más información sobre el investigador