Tras las pistas de la luz: Análisis químico con láser

 

El 6 de agosto de 2012 –después de un viaje de 9 meses a través del espacio y muchos otros de preparación previa– aterrizó exitosamente en Marte el mayor robot enviado por la NASA, llamado “Curiosidad”, dentro de su programa para la exploración del planeta rojo. En estos días, comandado desde la Tierra, el robot recorre la superficie de Marte para investigar su habitabilidad. Esto implica la existencia pasada o actual de las condiciones indispensables para la vida en la forma más simple que conocemos en nuestro planeta: los microorganismos y las bacterias.

“Curiosidad” lleva a bordo, entre muchos otros, un instrumento que permite estudiar la composición elemental de los minerales que forman las rocas y el suelo. Luego que el robot identifica un objetivo a una distancia de hasta 7 m, por ejemplo una roca, dispara un haz láser a casi la velocidad de la luz (unos 300.000 km por segundo). Al impactar el láser en el blanco, se produce un destello de luz que brilla por un instante en la atmósfera marciana. Entonces, capta la luz con un telescopio y determina su composición química. (1) De esta forma, los científicos buscan los ingredientes químicos vitales (Hidrógeno, Carbono, Oxígeno, Nitrógeno, Fósforo y Azufre) y, también, aquellos que son tóxicos (Berilio, Plomo, Cadmio y Arsénico).

En Física, este análisis con láser se conoce con el nombre de espectroscopia de plasmas producidos por láser o, también, por sus iniciales en inglés: LIBS. El interés en esta técnica se debe a su gran versatilidad ya que –además del análisis de rocas, suelos y minerales– puede ser aplicada a diversas áreas como arte, medicina, medio ambiente, arqueología, seguridad e industria, entre otras.

Pero ¿en qué consiste la espectroscopia de plasmas producidos por láser? Ya mencionamos antes que el análisis LIBS es un tipo de análisis químico que utiliza un láser. Ahora veamos con más detalle qué son cada una de las tres palabras peculiares que le dan su nombre: láser, plasma y espectroscopia.

•   Láser:

Hoy en día, casi todos conocemos los punteros láser de bolsillo que emiten luz roja. El láser es luz, con características especiales, pero luz al fin. Su naturaleza es la misma que la emitida por una lamparita, el Sol o una estrella más lejana, sólo que posee ciertas propiedades: es de un único color (monocromática) y se propaga en forma ordenada a lo largo de una línea recta. Los láseres deben manejarse con mucho cuidado pues pueden dañar los ojos o la piel, especialmente aquéllos que emiten con altas energías pero, también, los pequeños que se venden como llaveros en los kioscos.

•   Plasma:

Un gas a una temperatura muy alta (de unos 10000 °C o más) y que emite luz muy intensa se denomina plasma. Este estado de la materia se encuentra naturalmente en las estrellas. Se puede generar un plasma artificialmente en un laboratorio pero sólo por tiempos cortos, pues requieren mucha energía y se apagan rápidamente. Una forma de generarlos es concentrando luz láser de alta energía: éstos se llaman plasmas producidos por láser.

•   Espectroscopia:

En el siglo XVII, Isaac Newton (1643–1727) realizó un experimento haciendo pasar la luz del Sol a través de un prisma. Observó que, al atravesarlo, la luz blanca se descomponía en una banda continua de colores bien definidos –los colores del arco iris (rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta)– a la que llamó espectro. (2) Hoy sabemos que los espectros que se obtienen de distintas fuentes luminosas, como una estrella, una llama, el filamento de una lámpara o un plasma, se deben a cambios en la configuración interna de los átomos que dan lugar a emisión de energía en forma de luz. El estudio de los espectros en general se llama espectroscopia.

Más adelante, a principios del siglo XIX, se descubrió que cada elemento de la tabla periódica en estado gaseoso tiene un espectro único como consecuencia de su propia estructura interna. Por ejemplo, si espolvoreamos sal común de mesa (cloruro de sodio) en la llama de una vela, vemos que ésta se vuelve de color amarillo intenso debido a la emisión del sodio. Por lo tanto, los espectros atómicos pueden ser usados para identificar los distintos elementos químicos, igual que se utilizan las huellas digitales para individualizar a las personas. El brillo o intensidad de un espectro se relaciona con la concentración del elemento al cual corresponde, de manera tal que a mayor brillo mayor será su concentración, y viceversa. Así, los astrónomos al medir la débil luz de las estrellas mediante un telescopio saben que están formadas mayormente por hidrógeno y helio. Sin embargo, si tenemos una mezcla de varios elementos que emiten luz, en el espectro resultante estarán superpuestos todos los espectros individuales de cada uno de los elementos presentes. En este caso, se requiere un trabajo minucioso para interpretarlo correctamente, de igual manera que un detective debe descifrar las huellas digitales que encuentra en la escena de un crimen.

En resumen, en el análisis LIBS se concentra luz láser de alta energía sobre la muestra cuya composición se quiere averiguar y para generar un pequeño plasma sobre su superficie formado por los átomos arrancados de la muestra. Estos átomos emiten luz y, a partir de ella, se obtiene su espectro. Finalmente, se analizan las huellas digitales de los átomos en este espectro y se determina la composición química elemental de la muestra.

El análisis LIBS es actualmente objeto de estudio en distintos laboratorios del mundo. En la UNICEN, y en particular en el “Instituto de Física Arroyo Seco” (IFAS), se investiga sobre sus fundamentos básicos y sus aplicaciones a cuestiones de interés práctico, mucho más cercanas a nosotros, por cierto, que la exploración en otros planetas. Entre los estudios que se llevan a cabo –algunos en colaboración con otros grupos de investigación– podemos mencionar:

- El estudio de fragmentos arqueológicos de huesos humanos. En éstos, la concentración de ciertos elementos químicos en el material óseo permite concluir sobre la dieta alimentaria que tuvieron los individuos durante su vida en épocas remotas.

- El análisis de la concentración de metales pesados (por ejemplo, Cromo, Cadmio, Plomo, Zinc, Cobre) en muestras de agua, suelo y vegetales. Cuando estas concentraciones superan ciertos límites tolerables, esas sustancias se vuelven nocivas para la salud y el ecosistema.

- El análisis de residuos de arenas de fundición de las industrias. Éstos son generalmente utilizados como material de relleno en suelos bajos y cavas, por lo que resulta de gran importancia para el medio ambiente determinar su composición química.

Notas:

1. Para más información puede visitarse el sitio: http://www.msl-chemcam.com

2. Del latín spectrum, que significa “aparición”.