Destellos infrarrojos para astronomía y medicina

El Centro Universitario Max Planck-Radboud ampliará las posibles aplicaciones de los láseres infrarrojos de electrones libres en los próximos años.

22 de junio de 2021

La aplicación de láseres de electrones libres que emiten luz infrarroja abarca desde la biomedicina hasta la química y la ciencia de los materiales hasta la astrofísica. Para avanzar aún más en la tecnología y la investigación que estos  láseres permiten, la Sociedad Max Planck y la Universidad Radboud (Nijmegen, NL) han establecido el Centro Universitario Max Planck-Radboud. A través de su colaboración, se centrarán no solo en la investigación, sino también en la formación de investigadores que inician su carrera.

Como parte del proyecto de cooperación, se llevarán a cabo experimentos con los láseres infrarrojos de electrones libres FELIX.
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Como parte del proyecto de cooperación, se llevarán a cabo experimentos con los láseres infrarrojos de electrones libres FELIX.

 

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La vida tal como la conocemos solo es posible con moléculas orgánicas. Estos se encuentran no solo en la Tierra, sino también en una asombrosa diversidad en muchas partes del universo. Los astrofísicos reconocen esto por la luz infrarroja que recogen del espacio con telescopios especializados. En el espectro de esta luz, los componentes extraterrestres de la vida dejan rastros o "huellas químicas". Sin embargo, los astrofísicos a menudo no pueden identificar qué es exactamente lo que está a la deriva en el espacio interestelar porque carecen de una comparación (es decir, una base de datos de huellas dactilares químicas coincidentes). Esto es precisamente lo que se puede crear con un láser infrarrojo de electrones libres (IR-FEL). Este instrumento puede generar espectros infrarrojos en condiciones similares a las del espacio.

Estos instrumentos también proporcionan información sobre la estructura de las proteínas que no se pueden obtener de otras formas, o solo con un esfuerzo considerable. Por ejemplo, los análisis con un IR-FEL podrían proporcionar información sobre si las proteínas están correctamente plegadas. Los errores en la disposición de las cadenas de proteínas pueden conducir a la enfermedad de Alzheimer o Parkinson. Para comprender mejor las causas de tales enfermedades, los biólogos y los médicos primero deben saber qué defectos pueden ocurrir y cómo se producen. Los investigadores del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck y la Universidad Radboud que cooperan en el nuevo Centro Max Planck quieren contribuir a este análisis de errores. También esperan que los experimentos con el IR-FEL proporcionen información detallada sobre cómo se producen las reacciones químicas, especialmente con respecto a qué productos intermedios se producen y cómo se procesan posteriormente. Un conocimiento preciso de estos procesos puede ayudar a dirigir una reacción a uno de los muchos productos posibles. Esto puede ser útil cuando se sintetizan moléculas complejas de azúcar en el laboratorio, lo cual es notoriamente difícil.

Un FEL genera luz láser de acuerdo con el principio de sincrotrón, enviando electrones libres en una pista de slalom a través de una serie de imanes. En cada curva, las partículas cargadas emiten luz de un solo color. Un IR-FEL es un instrumento versátil y poderoso que tiene aplicaciones en todas las ciencias naturales. A diferencia de un espectrómetro de infrarrojos convencional, puede manejar cantidades diminutas de gases o permitir nuevas mediciones en muestras líquidas o sólidas. También se puede utilizar para estudiar cómo cambian las moléculas de la muestra con el tiempo.

Sin embargo, la forma en que un IR-FEL genera luz significa que las instalaciones pueden ocupar todo un pabellón deportivo. Esta es probablemente una de las razones por las que solo hay unos pocos en el mundo. Dos de ellos están ubicados en el Instituto Fritz Haber en Berlín y en la Universidad Radboud en Nijmegen, ambos instrumentos internos personalizados, que fueron desarrollados por los propios equipos. Pero los equipos de las dos instituciones no solo han desarrollado los dispositivos ellos mismos, sino que también están trabajando en cómo diseñar experimentos para aprovechar todo el potencial de los mismos. “Estamos ampliando continuamente nuestra experiencia en el desarrollo y uso óptimo de láseres infrarrojos de electrones libres”, dice Britta Redlich, profesora de la Universidad de Radboud. “El Centro Universitario Max Planck-Radboud permite un intercambio intensivo de experiencias y nuevas ideas”.

Debido a que la tecnología experimental con un IR-FEL todavía es relativamente nueva, todavía no hay muchos especialistas que puedan configurar y utilizar un instrumento de este tipo de manera significativa. “Además del desarrollo y la aplicación de láseres infrarrojos de electrones libres, uno de los objetivos del nuevo Centro Universitario Max Planck-Radboud es familiarizar a los investigadores jóvenes con esta tecnología”, dice Gerard Meijer, Director del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck. Alrededor de 20 estudiantes de doctorado e investigadores postdoctorales podrán adquirir conocimientos y habilidades en los experimentos relevantes durante un primer período de financiación de cinco años. También habrá conferencias, talleres y cursos de formación que difundirán el conocimiento más allá del centro. Por lo tanto, los socios de cooperación quieren asegurarse de que IR-FEL se utilice en todas las ramas de la ciencia en las que puedan proporcionar conocimientos útiles.

 
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