Si alguna vez se ha parado en una habitación oscura deseando tener una linterna, entonces comprende cómo se sienten los científicos cuando se enfrentan a los misterios de los procesos físicos que suceden a escalas asombrosamente pequeñas y rápidas.
El futuro de la ciencia que cambia la vida, la ciencia que generará los dispositivos electrónicos, los medicamentos y las soluciones energéticas del futuro, depende de poder ver los átomos y las moléculas en funcionamiento.
Para hacer eso, necesita luz especial, como la luz de rayos X con una longitud de onda tan pequeña como un átomo, que pulsa a una velocidad de femtosegundos. Un femtosegundo es un segundo lo que un segundo es 32 millones de años.Es la escala de tiempo para los componentes básicos de la química, la biología y la ciencia de los materiales.
Es por eso que, hace seis años, el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía respondió a un llamamiento audaz de la comunidad científica: construir una herramienta transformadora para el descubrimiento, un láser de rayos X tan brillante y rápido que pueda desentrañar la dinámica oculta de nuestromundo físico.
Desde que comenzó a funcionar en 2009, este "microscopio" singularmente poderoso ha generado películas moleculares, ha vislumbrado el nacimiento de un enlace químico, ha rastreado electrones que se mueven a través de materiales y ha creado imágenes en 3-D de proteínas que son clave para el descubrimiento de fármacos.. Conocido por los científicos como un láser de rayos X de electrones libres XFEL, la fuente de luz coherente Linac de SLAC, o LCLS, es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que atrae a cientos de científicos de todo el mundo cada año para realizar experimentos innovadores..
El éxito de LCLS ha inspirado la difusión de este tipo de máquinas en todo el mundo.
El último número de Reseñas de física moderna contiene la descripción científica más completa de sus logros en un artículo titulado "Fuente de luz coherente de Linac: los primeros cinco años".
Los científicos del personal de LCLS dedicaron aproximadamente un año a compilar la colección de informes, dice el director de LCLS, Mike Dunne.
"Esperamos que este extenso artículo sea una fuente de referencia valiosa para este nuevo campo de la ciencia", dijo. "Describe muchos de los principales logros del primer láser de rayos X de este tipo. También da testimonio deel poder de esta herramienta única para el descubrimiento científico que beneficiará a la sociedad de muchas maneras ".
Aquí hay cinco formas en que el láser de rayos X de SLAC y la ciencia que permite pueden afectar nuestro futuro.
1. Computadoras de próxima generación y la red eléctrica
Los estudios de LCLS están ayudando a enfocarse en los materiales y métodos más prometedores para transformar la red de energía eléctrica y conducir los componentes de computadora de próxima generación más allá de los límites clásicos.
Para hacer que las computadoras y otros dispositivos electrónicos sean más rápidos y más pequeños, los científicos deben comprender y controlar el magnetismo y el comportamiento electrónico de los materiales de maneras nuevas y más precisas.
LCLS nos ha brindado nuevas vistas a nanoescala de cómo la luz láser cambia rápidamente el estado magnético de los materiales, brindando una nueva perspectiva sobre cómo escribir datos con luz. Ha identificado la velocidad de la conmutación eléctrica, como lo que ocurre en los transistores semiconductores- con una precisión de una billonésima de segundo.
Los investigadores de LCLS también han descubierto un nuevo fenómeno 3-D que puede estar relacionado con la superconductividad de alta temperatura, que permite que algunos materiales exóticos conduzcan electricidad sin resistencia.
2. Combustibles y productos químicos mejores y más limpios
La capacidad de tomar medidas directas de pasos nunca antes vistos en reacciones químicas es lo que los científicos necesitan para diseñar reacciones más eficientes para producir combustibles, fertilizantes y químicos industriales.
Si bien conocemos los ingredientes iniciales y los resultados de las reacciones químicas, los pasos iniciales e intermedios son difíciles de ver en tiempo real a escala atómica.
Los pulsos de rayos X LCLS son tan rápidos que nos permiten observar y analizar estos pasos nunca antes vistos. Funcionan como destellos ultrabrillantes para capturar instantáneas de rayos X de reacciones químicas a medida que ocurren.
Los investigadores han utilizado LCLS para ver nuevos detalles de una reacción en convertidores catalíticos que neutraliza la contaminación de los gases de escape de los automóviles y para producir "películas moleculares" de una molécula que se transforma después de que se rompe uno de sus enlaces químicos.
3. Medicamentos más efectivos con menos efectos secundarios
La mitad de los medicamentos en el mercado se dirigen a proteínas receptoras especiales en la capa externa de nuestras células. Para descubrir cómo funcionan los medicamentos para que podamos hacerlos más efectivos y reducir los efectos secundarios, necesitamos ver cómo se acoplan con estos receptores endetalle átomo por átomo.
La mejor manera de ver cómo encajan es formar cristales con los complejos de proteína-fármaco y estudiarlos con rayos X, pero muchas muestras importantes no forman cristales lo suficientemente grandes o son demasiado propensas a dañarse para los rayos X convencionalesLCLS, sin embargo, puede estudiar cristales muy diminutos en condiciones más naturales, lo que hace posible determinar la estructura atómica tridimensional de proteínas importantes que estaban fuera de su alcance.
LCLS ya ha revelado una debilidad potencial en una proteína involucrada en la transmisión de la enfermedad del sueño africana, brindó la mejor mirada a escala atómica tridimensional de cómo los medicamentos para la presión arterial y los analgésicos interactúan con los receptores en nuestras células, y señaló el mecanismoque permite a nuestro cerebro enviar señales químicas ultrarrápidas.
En estudios más recientes, LCLS también se ha utilizado para obtener imágenes de bacterias vivas que son responsables de generar el oxígeno en nuestra atmósfera, lo que demuestra una técnica de imágenes de rayos X completamente nueva.
4. Energía renovable que imita la naturaleza
LCLS nos permite estudiar cómo las plantas utilizan la energía de la luz solar para liberar oxígeno en el aire que respiramos durante un proceso llamado fotosíntesis. El láser de rayos X tiene la capacidad única de mapear los pasos individuales activados por la luz solar. Los primeros datos ya nos están dandouna comprensión detallada de la fotosíntesis, información que es crucial para desarrollar fuentes de energía renovables y limpias que imiten la naturaleza.
Los científicos también están usando la herramienta para estudiar cómo la luz afecta a otros seres vivos. Así como la luz solar puede dar vida, también puede ser dañina. Los estudios en LCLS han revelado cómo nuestro ADN se protege de los rayos ultravioleta del sol y cómo las proteínasen bacterias y en nuestros ojos cambian de forma en respuesta a la luz.
5. Reacciones de fusión y visión del interior de los planetas
Los sistemas láser de alta potencia en SLAC calientan la materia a millones de grados y la aplastan con miles de millones de toneladas de presión por pulgada cuadrada. Los científicos utilizan LCLS para medir lo que sucede con la materia en estas condiciones extremas con alta precisión a escalas muy pequeñas, ydurante períodos de tiempo muy cortos.
Algunos estudios prueban la resiliencia de materiales, como los que se utilizan en los motores a reacción, para ver cómo fallan. Otros han simulado y estudiado los efectos de choque de los impactos de meteoritos y han reproducido las condiciones que se cree que existen en el corazón de los gigantesplanetas de gas, lo que mejora nuestra comprensión de cómo se forman los sistemas solares.
Los resultados también brindan a los científicos una nueva perspectiva sobre cómo replicar las reacciones de fusión que alimentan nuestro sol, un paso esencial en la búsqueda de la energía de fusión como fuente de energía.
Mirando hacia el futuro
"Muchos de los métodos desarrollados durante los primeros años de operaciones de LCLS respondieron a las necesidades de la ciencia para abordar áreas vitales de descubrimiento que prometen tener un impacto significativo en nuestras vidas", enfatiza Dunne. "Esperamos que los próximos años deLa innovación de XFEL nos empujará más hacia el futuro, a medida que profundicemos en la dinámica de nuestro mundo natural ".
"La fuente de luz coherente de Linac: los primeros cinco años", fue escrito por un representante del equipo de los grupos de ciencia de rayos X y aceleradores en SLAC durante este período pionero de la ciencia XFEL: Christoph Bostedt, Sébastien Boutet, David M. Fritz, Zhirong Huang, Hae Ja Lee, Henrik T. Lemke, Aymeric Robert, William F. Schlotter, Joshua J. Turner y Garth J. Williams.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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