Chorro de agua explosivo en el haz de rayos X
El láser de rayos X arroja luz sobre los procesos ultrarrápidos de la física, la biología y las ciencias de los materiales
Un equipo interdisciplinario de científicos ha utilizado pulsos de rayos X ultra cortos para obtener imágenes de chorros de agua que explotan con extrema rapidez. Los experimentos, llevados a cabo en la instalación europea de rayos X láser European XFEL, tienen como objetivo estudiar los eventos ultrarrápidos que ocurren en una región muy pequeña por medio de la holografía de rayos X. "Como ejemplo de tal evento, optamos por un fino chorro de agua que se hace estallar en un punto de su trayectoria por un láser infrarrojo", dice Johannes Hagemann de DESY, autor principal del estudio que se ha publicado en el Journal of Synchrotron Radiation.
El chorro de agua a 1, 5, 10 y 20 nanosegundos después de ser golpeado por el láser infrarrojo.
DESY, Johannes Hagemann et al.
"Para registrar un proceso de este tipo, el pulso de luz tiene que ser mucho más corto que el proceso en sí", explica Hagemann. "De lo contrario, la imagen será borrosa por el movimiento relativo del objeto bajo escrutinio." El XFEL europeo genera pulsos de rayos X que duran sólo unas pocas decenas de femtosegundos. Un femtosegundo es una millonésima de una billonésima de segundo. En la línea de haz MID (Materials Imaging and Dynamics), los investigadores hicieron brillar los rayos X a un chorro de agua de sólo 0,04 milímetros de diámetro al ser golpeado por un potente láser infrarrojo. La luz infrarroja del láser calienta abruptamente el chorro de agua en un punto, haciendo que se evapore allí en aproximadamente 20 nanosegundos. Un nanosegundo es una mil millonésima de segundo.
Las imágenes resultantes revelan la dinámica detallada de la explosión del chorro de agua. "Para obtener estas imágenes, tuvimos que superar dos obstáculos", explica Hagemann, que trabaja en el grupo de Christian Schroer, un científico líder en el DESY y uno de los coautores del documento. "Por un lado, los pulsos de rayos X no proporcionan un nivel de iluminación estable; está en constante fluctuación. Por otra parte, inicialmente sólo obtenemos hologramas en lugar de imágenes reales, porque las lentes disponibles para los rayos X no son de tan alta calidad como las lentes para luz visible, como las que producen la imagen en una cámara, por ejemplo".
Para superar el primer obstáculo, los científicos tomaron numerosas imágenes con los niveles de iluminación fluctuantes y las utilizaron para desarrollar un modelo matemático. "Usando esto, es posible describir retrospectivamente la iluminación durante cualquier medición", dice Hagemann. "Sólo entonces se puede superar el segundo obstáculo". Los hologramas obtenidos con la ayuda del modelo de iluminación tienen que ser reconstruidos numéricamente para producir la imagen real del chorro de agua y su explosión. "Aunque esto significa hacer un trabajo extra para empezar, al final vale la pena", explica Hagemann. "Porque las imágenes que obtenemos no son simplemente imágenes, sino una medida de la densidad de electrones del objeto fotografiado. Esto nos permite identificar las regiones de mayor densidad, por ejemplo, que se producen en una onda de choque. Además, la densidad permite deducir otras cantidades físicas, como la presión o la temperatura".
Sin embargo, el chorro de agua en explosión no es sólo un sistema modelo, sino que también tiene un significado práctico. Por una parte, la evaporación rápida mediante breves impulsos de láser se utiliza en la cirugía médica; por otra parte, los chorros de agua se utilizan a menudo para transportar muestras biológicas, como cristales de proteínas, por la trayectoria de un rayo láser de rayos X, a fin de explorar su estructura. Este experimento ha demostrado ahora que esos finos chorros de agua también son adecuados para transportar objetos más grandes, como células vivas intactas, al haz de rayos X para examinarlas. La ventaja de utilizar un chorro de agua es que las células permanecen en un ambiente acuoso como en el cuerpo. No tienen que ser inmovilizadas o secadas.
El éxito de la obtención de imágenes con el láser de rayos X abre numerosas posibilidades nuevas de investigación. "En el futuro, queremos utilizar esta técnica de imagen para captar otros procesos de alta velocidad también en la materia biológica y blanda en el agua", dice el investigador principal Tim Salditt de la Universidad de Göttingen.
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Publicación original
"Single-Pulse Phase-Contrast Imaging at Free-ElectronLasers in the Hard X-ray Regime"; Johannes Hagemann, Malte Vassholz, Hannes Hoeppe, Markus Osterhoff, Juan M. Rosselló, Robert Mettin, Frank Seiboth, Andreas Schropp, Johannes Möller, Jörg Hallmann, Chan Kim, Markus Scholz, Ulrike Boesenberg, Robert Schaffer, Alexey Zozulya, Wei Lu, Roman Shayduk, Anders Madsen, Christian G. Schroer and Tim Salditt; Journal of Synchrotron Radiation; 2020
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