El neutrón es la sonda perfecta para estudiar materiales

Este 1 de junio se celebra el 80 aniversario del neutrón, una partícula asociada a la energía nuclear que, sin embargo, también sirve para estudiar proteínas anticongelantes, superconductores y aleaciones ligeras en aviones. Desde el Instituto Laue-Langevin en Grenoble (Francia), centro de referencia mundial en investigación con neutrones, el director adjunto José Luis Martínez (Madrid, 1958) nos explica algunos secretos de esta partícula sin carga.

Se cumplen 80 años desde que el Nobel James Chadwick publicara la existencia del neutrón. ¿Qué destacaría de esta partícula?

El neutrón es extremadamente útil a la sociedad porque, nos guste o no, está en la base de la producción de gran parte de la electricidad que consumimos. Es verdad que está asociado al armamento y a la generación de energía nuclear, ya sea por fisión de un átomo pesado o por la fusión de dos átomos ligeros en un reactor como el del ITER, pero lo que mucha gente desconoce es que el neutrón es la sonda perfecta para estudiar materiales de todo tipo: metales, polímeros, muestras biológicas… Es como usar un microscopio, pero empleando neutrones en lugar de luz.

¿Qué ventaja presenta el neutrón?

Al ser neutro puede penetrar mucho en la materia y ‘ver’ el volumen del material, no solo la superficie como hace la microscopia electrónica o la luz. Además se pueden ‘moderar’ hasta que alcanzan energías muy bajas, lo que les permite interaccionar con los materiales a analizar sin destruirlos. Y al tener un momento magnético, el neutrón es una sonda prácticamente única para examinar los materiales magnéticos, los imanes, y conocer sus propiedades magnéticas a nivel microscópico. En general, con técnicas de neutrones respondemos a tres preguntas: dónde están los átomos de un material, cómo se mueven estos átomos y, en su caso, qué propiedades magnéticas tiene.

¿Cómo se ve dónde están los átomos y su movimiento?

Se coloca la muestra frente al haz de neutrones. Dependiendo del ángulo de salida de los neutrones, y con modelos matemáticos, se puede saber la composición del material. Por ejemplo, si tuviéramos cloruro sódico nos indicaría que hay átomos de cloro y sodio a tal distancia y repetidos formando cubos. Respecto al movimiento de los átomos, puede ser de dos tipos: individual o colectivo, como ocurre en un estadio de fútbol cuando cada espectador se mueve al azar o se hace la ola de forma conjunta.

El neutrón es prácticamente la única sonda que puede estudiar los movimientos de los átomos, y esto está relacionado con las propiedades magnéticas y térmicas del material. Que un material sea magnético o no, o que aísle o no del calor, se asocia a que sus átomos tengan movimientos colectivos o individuales. Y así también se analizan los materiales superconductores, que lo son por ese movimiento colectivo que favorece la conducción sin pérdidas de la electricidad.

¿Algún ejemplo más de aplicaciones con técnicas de neutrones?

Aquí en el Instituto Laue-Langevin (ILL) estudiamos aleaciones ligeras de aluminio y litio para aviación, por ejemplo. Hasta ahora los remaches de acero que unen las piezas de las alas tienen el problema de que pesan mucho –y está comprobado que disminuir un kilo en el peso del avión ahorra un millón de euros en toda su vida útil–, además de que los agujeros producen fisuras. Lo ideal sería poder quitar los remaches, pero para eso hay que soldar el aluminio y, de momento, esto también genera tensiones residuales e induce fracturas. Con las técnicas de neutrones se investiga cómo solucionar el problema.

También hemos trabajado con un grupo de Bristol (Reino Unido) para hacer un detergente magnético de utilidad para limpiar el petróleo de vertidos como el del Prestige. Este jabón se podría dispersar por la zona afectada, el jabón absorbería el vertido y, como es magnético, luego podría recogerse con imanes. Y en el ámbito biomédico, se analiza una proteína que evita que la sangre de los peces del Ártico se congele. Si conseguimos aislarla e identificar su estructura quizá se pueda usar después para guardar a bajas temperaturas el plasma sanguíneo durante más tiempo, o incluso para desarrollar anticongelantes más ecológicos en los vehículos o para alimentación.

¿Y todo esto es lo que estudia en el ILL?

Prácticamente el 99% del trabajo que se desarrolla aquí se centra en este tipo de técnicas en las que se utiliza el neutrón como sonda para estudiar materiales. El centro cuenta con una de las fuentes de neutrones más intensa del mundo y 40 instrumentos de alto rendimiento (30 de acceso público y 10 gestionados por instituciones de distintos países). Cerca de 1.500 científicos de más de 40 países visitan cada año el ILL para hacer sus experimentos de física, química, biología, ciencia de los materiales, medio ambiente… El otro 1% se dedica a conocer mejor las propiedades intrínsecas del neutrón, en particular las medidas sobre el momento dipolar eléctrico (EDM, por sus siglas en inglés).

Este es un tema que intriga especialmente a los físicos…

Así es. El neutrón está formado por tres quarks: dos down o abajo (con una carga negativa de -1/3 cada uno) y uno up o arriba (con una carga positiva de +2/3). Según las medidas tomadas hasta ahora, con un factor de 10-25, parece que comparten el mismo centro de masas, por lo que se compensan las cargas y el EDM es 0. Pero si los quarks estuvieran desviados en una posición ligeramente diferente, las cargas positivas y negativas no estarían en el mismo punto respecto al centro de masas y se podría generar un momento dipolar eléctrico. Ya están en marcha campañas de medidas para en dos años llegar a una precisión de 10-27. Si a esa escala el EDM también es 0 será un dato muy importante para la teoría estándar de la Física, la que unifica todas las fuerzas. Otra medida de gran interés es conocer con la mayor precisión la vida media del neutrón, que se desintegra en unos 13 minutos.

¿Cuál es el papel de España en el ILL?

Los tres socios fundadores y principales del ILL son Alemania, Francia y Reino Unido. La cuarta comunidad por número de usuarios y por publicaciones científicas es España, muy cerca de Italia y Suiza. Nuestro país se incorporó en el año 1987 y desde entonces su participación no ha dejado de crecer. De hecho se suele poner como ejemplo a los nuevos socios. Cerca de 500 investigadores del CSIC y de universidades del País Vasco, Madrid, Cataluña, Aragón, Cantabria, Andalucía y Asturias forman la comunidad científica española del ILL. Presentan sus ideas, y si pasan la evaluación y son aceptadas, pueden venir aquí con los gastos pagados y se les concede tiempo en los instrumentos para que hagan sus experimentos. Es una forma de que centros y universidades pequeñas o ‘periféricas’, algunas con pocos recursos, puedan acceder a instituciones del más alto nivel a un precio razonable. España, como ‘socio científico’, aporta el 6% de los 80 millones de presupuesto anual del ILL. Confiamos en que el año que viene se renueve sin problemas el contrato actual, que finaliza el 31 de diciembre de 2013.

Tres aniversarios en un mismo año

El físico y Premio Nobel británico James Chadwick publicó el 1 de junio de 1932 en la Royal Society el artículo con el que se probaba la existencia del neutrón. Suponía la continuación de trabajos anteriores de investigadores alemanes y franceses que, al bombardear berilio con partículas alfa, creyeron identificar radiaciones gamma capaces de arrancar protones. Chadwick repitió los experimentos en su laboratorio de Cambridge y, tras analizar el rastro que dejaban los protones, identificó que la responsable era una partícula neutra: el neutrón. El descubrimiento ofreció por primera vez la imagen completa del átomo.

Años más tarde, en 1969, se crea el ILL por un acuerdo entre Alemania (canciller Adenauer) y Francia (DeGaule) con la idea de que la colaboración científica evitara futuros conflictos bélicos. Se construye una fuente de neutrones de altísima intensidad con un reactor nuclear de 58 MW de alto flujo de neutrones, que se pone en marcha en 1971. Se eligió la ciudad de Grenoble como sede porque allí trabajaba L. Neel, Premio Nobel por el descubrimiento del orden antiferromagnético. En 1972 se realiza el primer experimento científico y se escribe la primera publicación científica (40 aniversario). Al año siguiente se incorpora el Reino Unido, que al principio no creyó en el proyecto, asumiendo un tercio de las inversiones de Francia y Alemania para convertirse en el tercer socio principal. El ILL se convierte en la gran instalación europea de técnicas de neutrones.

El primer país que se integra como ‘miembro científico asociado’ al ILL es España en 1987, justo hace ahora 25 años. En la actualidad 5 científicos y 5 doctorandos españoles investigan aquí. También son ‘socios’ científicos Suiza, Austria, Italia, Republica Checa, Suecia, Hungría, Bélgica, Eslovaquia, Polonia e India. En 2013 entrará Dinamarca y probablemente Eslovenia, y se está en negociaciones con Bulgaria, Rusia, Marruecos, Argentina y Brasil. El personal fijo del ILL es de unas 500 personas, más los 1.500 científicos visitantes que llegan cada año (unos 250 españoles). Para usar los instrumentos el tiempo solicitado es más del doble del disponible.