22 janeiro 2010

Ligue o laser, o filme vai começar

Carlos Alberto dos Santos explica como funciona uma das maiores promessas de inovação para os próximos anos: o laser de raios-X, que tem aplicações tecnológicas surpreendentes.

Vista externa do ondulador do laser de elétrons livres do Acelerador Linear da Universidade de Stanford. A nova tecnologia figura entre as inovações mais promissoras do século (foto: Slac/Stanford).

Não, o título não sugere uma cena que você esteja perto de viver na sua casa. Pelo menos, não nas próximas décadas. O título refere-se a um dos temas apontados pela revista Nature como as maiores expectativas de inovação científica e tecnológica na próxima década.

Esse laser aí tem pouco a ver com o que conhecemos e que é largamente utilizado na indústria, nos consultórios médicos e nos hospitais. O laser que conhecemos é o resultado de transições atômicas realizadas por elétrons em determinados materiais, e geralmente emite luz visível a olho nu. O novo laser emite raios-X e resulta de elétrons livres. Tem mais: é muito rápido, muito intenso e tem comprimento de onda na escala atômica. Essas três propriedades permitem a observação de transições atômicas e reações químicas e a produção de filmes moleculares, além de outras inovações tecnologicamente concebíveis e outras ainda inimagináveis.

O laser de raios-X é muito rápido, muito intenso e tem comprimento de onda na escala atômica

Quando o telescópio foi inventado, há mais de quatro séculos, a astronomia passou por uma mudança paradigmática, com a aceitação definitiva da teoria do astrônomo polonês Nicolau Copérnico (1473-1543). Dois séculos e meio depois, em 1895, foi a vez de os raios-X proporcionarem uma revolução na ciência.

Sua descoberta teve estrondosa repercussão, não apenas na comunidade científica, como também nos meios de comunicação de massa. Menos de um ano após a descoberta, quase 50 livros e panfletos e mil artigos já haviam sido publicados sobre o assunto. Nesse caso, é bom notar, a descoberta teve repercussão em áreas correlatas. Na verdade, deu origem a uma série de descobertas que proporcionaram o nascimento daquilo que hoje denominamos física moderna e que desembocou na teoria quântica.

Os avanços seguidos da microscopia nos levaram do macro ao micro, em escalas cada vez menores. No entanto, essa redução dimensional tem um limite imposto pelos efeitos de difração da luz. Ou seja, só podem ser observados com boa resolução objetos com dimensões iguais ou superiores ao comprimento de onda da radiação com a qual são observados.

Tudo que observamos a olho nu resulta da interação da luz visível com os objetos e da sua captação pelo nosso sistema ocular. A parte visível do espectro eletromagnético, que vai do vermelho ao violeta, tem comprimentos de onda entre, aproximadamente, 400 e 700 nanômetros.

O fio de cabelo é facilmente visível a olho nu porque tem diâmetro de 50 mil nanômetros. Já o adenovírus, com dimensão típica de 80 nanômetros, só pode ser visto com o auxílio do microscópio eletrônico com resolução na faixa inferior a 10 nanômetros – este é o limite em que nos encontramos atualmente. Mas como observar uma molécula de açúcar, que tem dimensão de aproximadamente 1 nanômetro? Ainda não temos uma visualização direta. 

Adenovírus
Duas partículas de adenovírus observadas ao microscópio eletrônico. Só com equipamentos de grande resolução é possível observar esses vírus, que têm dimensão típica de 80 nanômetros (foto: Wikimedia Commons).

Luz síncrotron

A difração de raios-X, desde sua descoberta em 1914, possibilitou a visualização indireta das estruturas cristalinas. Mas quando os materiais não se apresentam cristalograficamente ordenados ou dificultam a obtenção artificial dessa ordem, a observação estrutural fica quase impossível. Esse é o caso de muitos materiais biológicos, e é nesse campo que a nova invenção vai causar furor.

Para apreciar a invenção, é necessária uma breve referência à radiação síncrotron. Qualquer partícula eletricamente carregada emite algum tipo de radiação quando acelerada. Basta que, por exemplo, ela mude sua trajetória para que isso ocorra. Quando um elétron movimenta-se em círculo, por exemplo, com velocidade próxima à da luz (300 mil quilômetros por segundo), ele emite a radiação síncrotron, cujo comprimento de onda depende, em parte, da velocidade do elétron.

Em equipamentos convencionais, como o instalado no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, em Campinas, já é possível obter radiação com comprimento de onda na faixa do nanômetro. Isso acontece quando, depois de adquirir alta energia, os elétrons atravessam uma região com vários ímãs de polaridades alternadas. O conjunto, constituído dos ímãs, dos tubos de circulação, dos sistemas de vácuo e das lentes magnéticas para manter os elétrons sempre próximos uns dos outros e o feixe sempre na mesma direção, é denominado ondulador.

Ao longo dessa região, cada elétron executa um movimento de vaivém, uma espécie de ’rebolado’. Cada vez que um elétron ’requebra‘, ele emite uma radiação de comprimento de onda diretamente proporcional ao período da alternância dos polos magnéticos e inversamente proporcional ao quadrado da energia do elétron ao ingressar no espaço magnético. Portanto, quanto menor o período e maior a energia, menor será o comprimento de onda da radiação emitida. 

O laser de elétrons livres de Stanford tem um pulso tão rápido que permite filmar uma reação química

Com o laser de elétrons livres do Acelerador Linear da Universidade de Stanford, na Califórnia (EUA), foi obtida em abril de 2009 uma radiação com 0,15 nanômetros de comprimento de onda e intensidade muito superior àquelas obtidas nos síncrotrons convencionais. O pulso é tão rápido que permite observar reações químicas dinamicamente. Ou seja, é possível fazer um vídeo de uma reação química – algo inimaginável alguns anos atrás. É possível também visualizar o movimento de macromoléculas em nível celular.

Essa alta intensidade resulta de um fenômeno similar ao que ocorre no laser. Como os elétrons são separados uns dos outros por uma distância tipicamente igual ao comprimento de onda, cada um é atingido pela radiação dos outros. Essa circunstância dá origem a um processo de radiação estimulada – cada elétron é estimulado a emitir mais radiação. Em um feixe com N elétrons, a potência não será proporcional a N, mas ao quadrado de N. Tem-se assim uma amplificação da radiação. 

 

Desafios excitantes

Para que isso aconteça, no entanto, há que se enfrentar problemas tecnológicos enormes. Um exemplo: no ondulador o feixe não pode se desviar de sua trajetória mais do que 5 micrômetros para cada 5 metros de percurso. É um desafio e tanto para os engenheiros. Quer dizer, os elétrons têm que entrar e sair juntinhos do túnel magnético para produzir raios-X coerentes. Funcionando desse modo, o equipamento é também denominado laser de raios-X.

A questão agora é: como será produzida uma imagem com esse tipo de luz, com um comprimento de onda tão pequeno? Dissemos acima que nosso limite ficava em torno de 10 nanômetros. Essa é atualmente a parte mais excitante da tecnologia, embora não seja a mais recente.

Laser de raios-X - Stanford
Detalhe do Acelerador Linear da Universidade de Stanford. A foto mostra um dos módulos do ondulador pelo qual passam os elétrons com velocidades próximas à da luz para produzir radiação tipo laser, com comprimento de onda na faixa de 0,1 nanômetro. O modulo da foto tem 2 metros de comprimento e pesa 8 toneladas; o sistema completo é composto de 33 módulos (foto: Slac/Stanford).

Na verdade, a busca por uma radiação tipo laser na faixa dos raios-X existe desde o início dos anos 1980, e na mesma época começaram os estudos para a obtenção de imagens. No entanto, a realidade só ficou mais aos nossos pés com os recursos tecnológicos recentemente saídos dos aceleradores lineares e dos síncrotrons.

A imagem é obtida a partir de padrões de difração produzidos pela interação dos raios-X com os objetos a serem observados. Isso envolve sofisticadas modelagens matemáticas, mas os primeiros experimentos realizados por pesquisadores da Universidade de Stanford mostram que isso é factível.

Existem ainda dificuldades matemáticas e problemas tecnológicos intrínsecos. Uma grande dificuldade vem da interação da radiação com os materiais biológicos – alguns deles organismos vivos, que constituem o principal tipo de material a ser observado com a nova tecnologia. A radiação pode causar sérios danos ou mesmo destruir esses materiais antes que a observação seja realizada.

Alguns estudos dos anos 1980 mostraram que muitos desses materiais resistem a intensas radiações, desde que por intermédio de pulsos muito rápidos. É exatamente isso que o laser de raios-X ou laser de elétrons livres nos oferece.

Nesse tipo de laser, a radiação chega a ser dez milhões de vezes mais intensa do que as atuais radiações síncrotron, e os pulsos não duram mais do que 25 femtossegundos. O femtossegundo é um milionésimo de um bilionésimo de segundo. Para ter uma ideia de quão pequeno isso é, basta ter em mente que as transições eletrônicas – as mesmas que originam o laser – ocorrem em tempos da ordem de um nanossegundo, que é um milhão de vezes maior que o femtossegundo. 

Laser de raios-X - Stanford (2)
No centro, o padrão de difração obtido quando o feixe do laser de raios-X foi dirigido contra a figura à esquerda. A figura foi obtida em um quadrado de nitreto de silício com 20 micrômetros de lado, por meio de um processo de escultura iônica. Um feixe iônico destrói o nitreto e deixa apenas a parte do desenho. O filme foi destruído pela radiação, mas o algoritmo computacional reproduziu a imagem, como se vê à direita (foto: Slac/Stanford).

Em casa

Futuramente, pode ser que o laser de raios-X permita a produção de discos de memória mais compactos e com capacidade na faixa do petabyte, um milhão de vezes maior do que os gigabytes. Isso pode levar à produção de equipamentos domésticos, tornando realidade o título da coluna em todos os sentidos.

Filmes com laser de raios-X em laboratório serão uma revolução para a biologia e para algumas áreas da física

Em fevereiro de 2008, a Nature publicou dois artigos sobre o desenvolvimento de um sistema compacto de laser de elétrons livres. O “compacto”, aqui significa que, no lugar de um ondulador com 130 metros, como o do acelerador de Stanford, propõe-se o uso de um com 3 metros, o que nem de longe pode ser considerado um aparelho doméstico.

No futuro próximo, devemos ter apenas a realização de filmes com laser de raios-X em laboratório, o que será uma revolução na biologia e em algumas áreas básicas da física. Imagine observar, em tempo real, uma reação química ou o comportamento de uma molécula enquanto um elétron salta de uma posição para outra no seu interior! Biólogos, bioquímicos, médicos e outros especialistas devem estar ansiosos pelo momento em que poderão observar, em tempo real, interações entre proteínas no ambiente celular. Aguardemos!

Carlos Alberto dos Santos
Colunista da CH On-line
Professor aposentado pelo Instituto de Física
da Universidade Federal do Rio Grande do Sul

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