Consiguen la primera 'foto' de átomos del agua congelados en el tiempo

El logro abre un campo completamente nuevo en la física experimental y a conocer qué procesos ocurren cuando la radiación afecta a las moléculas, lo que se podrá aplicar a cómo afecta a materiales o incluso tejidos humanos

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Los científicos utilizaron rayos X sincronizados (en rosa y verde en la foto) de un láser de electrones libres de rayos X para estudiar la respuesta energética de los electrones (oro) en agua líquida en una escala de tiempo de attosegundos, mientras que el hidrógeno (blanco) y los átomos de oxígeno (rojos) están 'congelados' en el tiempo Natán Johnson | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico

Patricia Biosca

15/02/2024
Actualizado 16/02/2024 a las 02:15h.

Nos han enseñado desde pequeños que el agua no tiene color, sabor, ni olor. Casi como la 'nada' líquida. Sin embargo, para que el agua sea agua, a nivel microscópico, sus moléculas y átomos se disponen de formas muy especiales, otorgándole particularidades que no tiene ... ningún líquido. Por ejemplo, puede existir en los tres estados de la materia -sólido, líquido y gas- al mismo tiempo a temperatura ambiente; o que el agua, en forma de hielo, es menos denso que en estado líquido, lo que provoca que los ríos se congelen en su superficie, pero no en el fondo. Todo esto ocurre por procesos ultrarrápidos a escalas ínfimas de las que tenemos evidencia indirecta: no lo hemos podido ver porque no poseíamos la tecnología.

Hasta ahora. Porque un grupo interdisciplinar de científicos de Estados Unidos y Alemania, aprovechando las instalaciones pioneras del laboratorio Nacional del Acelerador SLAC (California, EE.UU.), acaba de conseguir la primera 'fotografía' de un átomo de agua 'congelado' en el tiempo; este experimento abre la puerta a toda una física experimental que se podrá aplicar, por ejemplo, en investigaciones sobre cómo afecta la radiación a objetos dentro de una central nuclear; o a cómo nos influye a los tejidos humanos la radiación. Los resultados acaban de publicarse en la revista 'Science'.

El attosegundo, la trillonésima parte de un segundo

Las partículas subatómicas, como los electrones, se mueven tan rápido que capturar sus acciones requiere una 'cámara' capaz de medir el tiempo en attosegundos, una medida que equivale a la trillonésima parte de un segundo. Algo así como lo que sería un segundo completo para todo el tiempo del universo, que existe desde hace 13.800 millones de años. Porque, en ese tiempo, a escalas increíblemente pequeñas, ocurren muchas cosas, como que el agua sea agua. Gracias a Anne L'Huiller, Pierre Agostini y Ferenc Krausz, la humanidad puede 'radiografiar' qué ocurre en esa pequeñísima porción de tiempo (razón por la que los tres ganaron el Premio Nobel de Física en 2023). Y ahora, gracias a esta base, se ha conseguido 'fotografiar' ese escurridizo átomo.

«Hasta ahora, los químicos de radiación solo podían resolver eventos en la escala de tiempo de picosegundos, un millón de veces más lento que un attosegundo. Es como decir 'nací y luego morí'», explica Linda Young, autora principal del estudio y miembro del Laboratorio Nacional Argonne (EE.UU.). «Nosotros queríamos saber qué ocurría en el medio». Porque la película de la vida de este átomo del agua es tan fugaz que hasta ahora, si grabamos su vida, el metraje pasaba tan rápidamente que solo éramos capaces de captar el principio y el 'The end'. Sin embargo, con este nuevo método, los científicos son capaces de observar la trama entera, casi 'congelando' el tiempo.

Todo esto fue posible gracias al Láser de Electrones Libres de Rayos X (XFEL) de la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS), basado en una tecnología que produce pulsos de luz de rayos X ultrabrillantes y ultracortos que permiten a los científicos capturar el comportamiento de moléculas, átomos y electrones con un detalle sin precedentes en las escalas de tiempo naturales en las que se producen los cambios en la química, la biología y los materiales. Es decir, no son fotografías 'al uso', como podemos tener en el álbum de casa; sino la información que produce el choque de estos rayos X se interpreta después, 'capturando' lo que está ocurriendo en ese momento en los átomos.

Fotografía de muestra de agua: para registrar el movimiento de los electrones excitados por la radiación de rayos X, los científicos crean una delgada lámina de agua líquida, de aproximadamente 1 centímetro de ancho, como objetivo del haz de rayos X Emily Nienhuis | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico

Mirar en los átomos de sólidos, líquidos y gases

Hasta ahora, 'mirar' dentro de los átomos de sólidos y gases había sido más fácil. «Ha sido notoriamente difícil introducir líquidos en el entorno instrumental requerido por los detectores, mientras que la introducción de gases o sólidos ha sido mucho más sencilla», explica a ABC Young. Para salvar este escollo, crearon un sistema para crear una capa plana y delgada sobre la que enfocar los rayos X. Después, consiguieron analizar la respuesta energética de los electrones en agua líquida, mientras que el hidrógeno y los átomos de oxígeno estaban 'congelados' en el tiempo.

Los autores se llevaron incluso una sorpresa con los resultados. «Pudimos demostrar que una medición antigua de la estructura del agua líquida ha sido mal interpretada. Básicamente, lo que la gente estaba viendo en experimentos anteriores era la borrosidad causada por el movimiento de los átomos de hidrógeno- señala Young-. Pudimos eliminar ese movimiento haciendo todas nuestras grabaciones antes de que los átomos tuvieran tiempo de moverse». Igual que cuando en una foto alguien que se mueve sale borroso, distorsionando la imagen y creando extraños efectos.

Aplicaciones futuras

La aplicación más importante de este experimento es que permitirá comprender cómo afecta la radiación a las moléculas y cómo cambian desde el principio del proceso hasta el final. Y, para ello, además del agua, los científicos tienen que ser capaces de analizar soluciones más complejas «más representativas de la materia impactada por el daño de la radiación, como el tejido humano, los desechos radiactivos y los reactores nucleares», señala Young.