Los destellos ultrarrápidos de rayos X reparan el daño que ellos mismos causan
La emisión estimulada devuelve a los electrones a su estado fundamental, mientras la irradiación sigue en curso.
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La interacción entre los rayos X y la materia puede controlarse de forma activa: un equipo internacional de investigación liderado por la Universidad de Hamburgo y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC ha logrado obtener imágenes de rayos X nítidas que causan un daño significativamente menor. En la revista *Nature Communications*, los investigadores describen el uso de pulsos ultrarrápidos que revierten parcialmente el daño que generan.
Los rayos X son radiación ionizante y pueden dañar prácticamente cualquier tipo de materia. Por eso, los radiólogos se esfuerzan por mantener la dosis de rayos X en las pruebas de imagen lo más baja posible. Al mismo tiempo, deben asegurarse de que la imagen sea lo suficientemente nítida y contenga los detalles necesarios para el diagnóstico. Este equilibrio ha marcado la evolución de las pruebas de imagen con rayos X durante décadas.
Los investigadores que desean obtener imágenes de reacciones químicas en moléculas individuales y nanopartículas se enfrentan a una versión mucho más extrema del mismo problema. Para capturar algo tan pequeño y fugaz como una reacción dentro de un grupo de átomos, deben iluminar la muestra con un gran número de fotones de rayos X en un destello extremadamente breve. Las herramientas más avanzadas para ello —los láseres de electrones libres de rayos X (XFEL)— producen destellos lo suficientemente breves como para «adelantarse» a la destrucción física de la muestra. Sin embargo, incluso estos pulsos cortos arrancan electrones de los átomos y convierten una estructura sólida en una nube de iones y electrones antes de que se pueda registrar una imagen utilizable. Este fenómeno, denominado «decoloración electrónica», se ha considerado durante mucho tiempo una limitación inevitable de la obtención de imágenes de rayos X de alta resolución. Una vez que la muestra se decolora, se vuelve más transparente a los rayos X, y la calidad y la resolución de la imagen se deterioran.
En el presente estudio, el equipo describe una forma de mitigar este blanqueamiento, incluso cuando la dosis de rayos X se eleva a niveles extremos.
Para lograrlo, los investigadores iluminaron nanopartículas de neón con pulsos de rayos X recientemente disponibles que duraban solo unos pocos cientos de attosegundos. Estos pulsos eran aproximadamente entre cien y mil veces más cortos que los utilizados en experimentos anteriores de obtención de imágenes con FEL. Al ajustar estos destellos ultracortos cerca del borde K del neón (una energía a la que los átomos de neón responden con especial intensidad a los rayos X), los investigadores hicieron una observación inesperada: los pulsos no solo contrarrestaban el daño de forma más eficaz, sino que también revertían activamente parte de él mientras la irradiación aún se estaba produciendo.
«Cuando los rayos X intensos inciden sobre una muestra, normalmente sacan a los electrones de su estado original. Según la creencia generalizada, una vez que se ha desencadenado este daño, no puede revertirse durante la exposición», afirma Anatoli Ulmer, primer autor del estudio. «Los pulsos a escala de attosegundos rompen este ciclo al adelantarse a la cascada de daño habitual. Además, observamos un proceso competidor: la emisión estimulada. En este caso, los rayos X empujan a algunos electrones de vuelta a su estado original. La emisión estimulada, por lo tanto, reduce activamente el blanqueamiento electrónico».
Para delimitar el efecto de la emisión estimulada, el equipo comparó el impacto de pulsos de 300 attosegundos con pulsos que duraban 50 veces más con un brillo similar. Cuando los pulsos son muy cortos, es posible que muchos de los mecanismos responsables del blanqueamiento ni siquiera tengan tiempo de iniciarse. Los pulsos más largos produjeron una nube caliente y densa de electrones libres. Aunque los propios iones apenas se mueven, este nanoplasma acaba difuminando la información estructural de la muestra.
Por el contrario, los pulsos ultrarrápidos reflejan más electrones que permanecían acoplados a sus iones originales. Esto produjo una imagen que representa la muestra con mucha mayor precisión, tal y como era antes de que llegaran los rayos X.
Además, la señal de rayos X procedente de los pulsos de attosegundos fue significativamente más intensa, a pesar de que la muestra se ionizó en menor medida. «Nos sorprendió mucho comprobar que las imágenes más brillantes conllevan menos daño», afirma Tais Gorkhover, catedrático de la Universidad de Hamburgo e investigador del Clúster de Excelencia «CUI: Advanced Imaging of Matter». «Es un poco como reflejar cada vez más luz solar desde un tejado metálico sin que este se caliente más». Este efecto también puede explicarse teóricamente mediante la emisión estimulada: los electrones pueden ser impulsados de vuelta hacia sus iones originales por la luz de rayos X, siempre y cuando el blanqueo no haya avanzado demasiado.
Los resultados desvían la atención del enfoque, hasta ahora bastante pasivo, para mejorar la obtención de imágenes por rayos X. En lugar de considerar el daño como una especie de carrera que solo se puede ganar mediante exposiciones más cortas o dosis limitadas de rayos X, los hallazgos sugieren que la interacción entre los rayos X y la materia puede controlarse de forma activa. Con la misma luz intensa que causa el daño, también es posible contrarrestarlo, al menos parcialmente. «Este trabajo apunta a un futuro en el que podamos adaptar la respuesta de la materia a los rayos X controlando la dinámica electrónica ultrarrápida y, en última instancia, influir en cómo los rayos X se absorben, se dispersan y se propagan a través de los materiales», afirma Phay Ho, uno de los científicos principales del estudio.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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