¿Qué se puede hacer con los neutrones?

Microfotografía de un único átomo de oro. De "Cielo y Tierra" (Phaidon).

Varios aniversarios rescatan al neutrón de las profundidades de la materia. Hoy se cumplen 80 años del artículo del físico James Chadwick en el que confirmaba su existencia. Se celebran además los 40 de los primeros experimentos en el Institut Laue-Langevin, en Grenoble, y los 25 de la incorporación de España a la institución.

Un neutrón es una partícula de carga eléctrica cero que se encuentra en el núcleo de los átomos. Puede decirse que es el pegamento que mantiene entero su núcleo. ¿Cuál es, entonces, su utilidad? Son partículas sin carga neta, por lo tanto pueden penetrar fácilmente en la materia. Entre los destinos más famosos que se le han dado ha sido el de la bomba de neutrones. El ser humano, cuya imaginación a veces es un tanto pobre, la ha desarrollado al máximo para matar.

En un ingenio de estas características, tras la reacción de fusión de la bomba de hidrógeno, los neutrones separados de sus átomos salen en masa en una esfera alrededor de la explosión. Pueden llegar a atravesar blindajes de tanques y muros de hormigón. El resto de las aplicaciones racionales derivan de esa capacidad de penetrar sólidos sin ser rechazados por las cargas eléctricas. Sus energías implican unas longitudes de onda del tamaño de entre 0.01 y 100 nanómetros. Hay que tener en cuenta que la luz visible de los microscopios tiene unos 540 nanómetros. Pueden ‘ver', consecuentemente, estructuras mucho más pequeñas que la luz visible de los microscopios. Su movimiento en el interior de la materia es más libre y por lo tanto ‘ven' mejor.

Los haces de neutrones se obtienen bien de reactores nucleares de uranio o bien de aceleradores de partículas que lanzan protones contra metales pesados. Los neutrones producidos tienen energías cinéticas muy elevadas, de manera que deben pasar por recipientes con agua que los frenan hasta obtener las energías adecuadas. Algunas de sus aplicaciones en investigación están destinadas al estudio del interior de tejidos. Aunque son neutros eléctricamente podemos pensar que están formados por un protón masivo de carga positiva y que sobre su superficie gira un electrón ligero. El movimiento del electrón hace que el neutrón sea un minúsculo magneto, un pequeñísimo imán que puede detectar el campo magnético interno de los materiales. Su pequeño tamaño lo hace ideal para estudiar estructuras atómicas porque su energía es de la misma magnitud que la de las ondas sonoras en cristales o que las vibraciones en moléculas. Esta función lo hace muy adecuado para llegar a esas pequeñísimas estructuras.

También hay que señalar que las interacciones de los neutrones con los núcleos de los átomos son aleatorias, de forma que pueden chocar con átomos pequeños apantallados por otros grandes. En estas condiciones muestran una imagen mucho más detallada de la materia que otros sistemas de medida y visualización. Al final, ver un objeto es medir su reacción a energías incidentes, sean éstas de las ondas electromagnéticas visibles (lo que hacemos con los ojos), de los Rayos X, de los electrones y positrones o, como acabamos de señalar, de los neutrones.

Los utilizamos para conocer lo que pasa, para saber cómo son las cosas y cómo funciona el Universo, desde lo más grande a lo más pequeño. Gracias a su magnetismo nos han ayudado a construir las estructuras complejas de multicapa, que son los discos duros de los ordenadores, basados en dipolos magnéticos de tamaño casi atómico. También están los polímeros, que son los materiales que de verdad necesitamos y que constituyen lo único realmente importante del petróleo. Pues bien, los neutrones nos dan la dinámica de láminas ultradelgadas de polímeros: son las láminas antirreflectantes que se ponen en los vidrios, las láminas de liberación controlada de las medicinas, etc. Ellos vigilan cómo se estructuran y organizan esos polímeros.

De las indicaciones que dan los datos de los haces de neutrones, mediante el cálculo de modelos numéricos avanzados en grandes ordenadores, se han podido derivar las fórmulas de medicamentos complejos. Además, optimizando las estructuras materiales de las celdas de combustible se ha mejorado, por ejemplo, el almacenamiento de energía limpia. Se usan los neutrones también para ‘ver' cómo se deforman las alas de los aviones bajo los esfuerzos de vuelo y cómo responden las ruedas de los trenes a millones de kilómetros de servicio.

Estos haces nos ayudan a conseguir ‘ver' cómo se enroscan las proteínas sobre sí mismas. Y es que los compuestos bioquímicos sólo actúan en ciertas partes de sus cadenas. La actividad de una proteína de un virus deriva de su forma de enroscarse sobre sí mismos como si se tratase de ovillos enrevesados. Sólo ‘viendo' esas estructuras podemos aspirar a avanzar en la comprensión de la actividad viral, de cómo unas cadenas funcionan sin problema y cómo las mismas cadenas, liadas de otras formas, se convierten en tumores malignos. Es química, pero casi más importante es la geometría tridimensional de esas cadenas químicas.

Conclusión: para poder 'ver' esa geometría los haces de neutrones son imprescindibles. Finalmente, otro ámbito en el que intervienen los haces de neutrones es en el del hidrógeno, esencial para el almacenamiento de la energía que producen las celdas fotovoltaicas y las centrales eólicas. No sabemos aún cómo almacenarlo de forma suficientemente densa en una matriz mecánica. Los estudios realizados mediante estos haces nos permitirán saber qué materiales son los mejores para las celdas de combustible.