Neutroien zientzia, “bizitza hobe baterako materialak” garatzeko oinarrizko tresna

Ainara Valverde, Arkaitz Fidalgo-Marijuan, Jose Maria Porro, Viktor Petrenko, S. Lanceros-Mendez

1932ra arte, uste zen atomoa osatzen zutela, batetik, nukleo atomikoaren barnean kokatutako karga positiboek, protoiek alegia, eta, bestetik, elektroi bezala identifikaturik zeuden karga negatiboek, nukleoa elektrikoki neutro egiteko inguratzen dutenak. Hala ere, 1932an James Chadwick fisikariak neutroia aurkitu zuen, kargarik gabeko partikula bat, protoiaren antzeko masa zuena eta nukleoan kokatuta zegoena. Funtsezko aurkikuntza honi esker, James Chadwickek Fisikako Nobel Saria irabazi zuen 1935ean.

Hamarkada batzuk igaro ziren zientzialariak neutroiak zunda gisa erabiltzen hasi ziren arte materia karakterizatzeko, eta horri esker, Bertram N. Brockhouse eta Clifford G. Shull fisikariek 1994ko Fisikako Nobel Saria jaso zuten, “materia kondentsatuaren ikerketetarako neutroiak sakabanatzeko tekniken garapenari egindako ekarpen aitzindariengatik” [1].

Ordutik, neutroiak sarri erabili dira materialak karakterizatzeko [materialen ezaugarriak zehazteko], eta horrela, X izpien osagarri bihurtu dira. Bi partikula ezberdin dira beraz, neutroiak eta X izpi deiturikoak. X izpiak, masa gabeko partikulez osatutako erradiazio elektromagnetikoak dira; fotoi deritze partikula horiei, eta energia altua eta 0.1etik 100 Å-era bitarteko uhin luzerak dituzte. Neutroiak masa duten baina karga elektrikorik ez duten partikulak dira, eta, uhin luzeraz, 0.0003 Å-etik gora erakusten dute neutroi azkarretarako, eta 495 Å-eraino, berriz, neutroi ultrahotzetarako. Hala ere, neutroiek X izpiek baino energia txikiagoak dituzte, eta, ondorioz, ez dira hain suntsitzaileak.

Neutroiek eta X izpiek materiarekin elkarreragiteko duten modua ere oso desberdina da. X izpiek atomoen hodei elektronikoarekin elkarreragiten dute, eta, horregatik, atomo astunekin elkarreragin hobea dute arinekin baino, dituzten hodei elektroniko handiagoengatik. Horrek esan nahi du arazo asko dituztela material biologikoen bereizgarriak diren elementu arinagoak zundatzeko, halako elementuen kasuan, neutroiak funtsezkoak baitira egitura eta dinamika irudikatzeko. Izan ere, neutroiek atomoen nukleoekin elkarreragiten dute, eta elkarrekintza hau ez da soilik zenbaki atomikoaren araberakoa (nukleoko protoi kopurua). Hori hiru ezaugarri esanguratsutan bilakatzen da:

• Neutroiek X izpiek baino hobeto aztertu ditzakete elementu arinak, hidrogenoa adibidez.
• Neutroiek hobeto bereiz ditzakete zenbaki atomiko hurbilak dituzten atomoak.
• Neutroiek isotopoak bereiz ditzakete, nukleo desberdina baitute.

Gainera, neutroiek une magnetiko bat dute, egitura magnetikoak modu ezberdinetan aztertzea ahalbidetzen duena (1. Irudia).

Gaur egun, neutroiak material ugari ikertzeko erabiltzen dira. Neutroien esperimentu tipiko batean, neutroi sorta bat ikerketapeko objektutik igarotzen da, eta laginarekin elkarreragin ondoren, objektua zeharkatu duen neutroi sortaren ezaugarriak nola aldatzen diren aztertzen da. Laginetik pasatzen den neutroi sortan gertatzen diren aldaketei esker, zientzialariek laginaren barne-egiturari eta/edo osaerari buruzko informazio zehatza lor dezakete, neutroien sakabanaketa berariazko esperimentuaren arabera [3].

Neutroi-sakabanaketa teknika erabilienak honako hauek dira:

• Neutroien Irudiak (NI, Neutron Imaging), materialen barne-egitura ebaluatzeko;
• Neutroien Difrakzioa (ND, Neutron Diffraction), egitura kristalinoa zehazteko;
• Angelu Txikiko Neutroien Dispertsioa (SANS, Small-Angle Neutron Scattering);
• Neutroien Erreflektometria (NR, Neutron Reflectometry), eskala handiko egituren karakterizaziorako (eskala nanometrikotik mikretara).
• Neutroien sakabanatze Inelastiko/Kuasielalstikoa (QENS), berriz, mugimendu atomiko eta molekularrak aztertzeko erabiltzen da.

Metodo bakoitzak bere modua eskaintzen du sakabanatze-ereduak lortzeko, eta bakoitza egokia da material mota bati aplikatzeko (1. Irudia).

Neutroien irudiak objektuen barne-egitura ebazpen mikrometrikoz ikertzeko erabiltzen dira. Osasun arloan erabiltzen diren X izpiekin lortzen diren erradiografien nahiko antzekoa da. Neutroiek sarketa-sakonera handiak dituztenez eta material bakoitzak neutroiak modu batean indargabetzen dituenez, asko erabiltzen da NI, adibidez, industria aeroespazialean, hegazkin-motorren turbinen palak edo programa espazialetarako osagaiak probatzeko, besteak beste. NI artefaktu arkeologikoak edo artelanak aztertzeko metodo erakargarria ere bada (2. Irudia).

Neutroien Difrakzioa solido kristalinoak, gasak, likidoak edo material amorfoak aztertzeko erabiltzen da. Neutroien difrakzio-esperimentuen ondoriozko difrakzio-patroia neutroi barreiatuen intentsitatearen tontor serie gisa erregistra daiteke, atomoen kokapenari eta haien arteko distantziei buruzko informazioa jasoz.

Neutroien Erreflektometria eta Angelu Txikiko Neutroien Dispertsioa material lauen eta materialen interfazeen egitura ikertzeko erabiltzen dira. Egiturak 1 nanometro inguruko luzerako eskaletan zundatu daitezke, 100 nanometro baino gehiagoraino. NR eta SANS aplikazioen aukera zabala dute, polimero eta molekula biologikoen azterketetatik hasi eta nanopartikuletaraino, mikroemultsioetatik eta liposometatik igaroz, baita geruzetako nanoegituretatik ere.

Neutroi Inelastikoak eta Kuasielastikoak sakabanatzeko esperimentuek neutroien energia zinetikoaren aldaketa aztertzen dute laginean zehar igaro ondoren. Atomo edo molekulen mugimenduek material baten ezaugarri bereizgarrien kopuru handi baten eragile dira, une atomikoko banaketak, bibrazioak eta erlaxazio fenomenoak barne. Beraz, dinamika atomikoa eta magnetikoa ulertzea funtsezkoa da polimeroen zientzietan edo informazioaren eta komunikazioaren teknologietan.

Neutroi-zientziako esperimentuek zientziari, teknologiari eta gizarteari egindako ekarpenen adibideek diziplina ugari hartzen dituzte, zientziaren, ingeniaritzaren eta biomedikuntzaren arloetan. Sistema biologikoen arloan, neutroien esperimentuak funtsezkoak dira haien egitura eta portaera zehazteko. Makromolekula biologikoen egitura eta dinamika ulertzeko beharrari heltzeko, neutroiak barreiatzeko hainbat teknika konbinatu ahal dira, hala nola INS/QENS, Neutroi Irudiak edo SANS. Material farmazeutikoak edo kimika supramolekularra, non hidrogeno-loturak zeregin garrantzitsua betetzen duen molekula konplexuak eta egitura handiagoak elkartzen, neutroien difrakzioaren eta INS [5] /QENSaren [6] bidez karakteriza daitezke, azken hori kimikan dinamika molekularrak aztertzeko ere erabiltzen den teknika delarik [7].

Materia biguna –polimeroak, tentsioaktiboak edo kristal likidoak sartzen dira hor– asko aztertzen da neutroiak sakabanatzeko esperimentuen bidez, neutroiek hartzen dituzten luzera- eta denbora-eskalen egokitasunagatik eta elementuen arteko kontrastea hobetzeko gaitasunagatik materialaren osagai jakin baten deuterazio espezifikoaren bidez [8]. Neutroiek dispertsio magnetiko puruko jokaeren bidez material magnetikoak zundatzeko duten ahalmena portaera magnetiko eta material magnetiko berriak argitzeko ere baliatzen da. Horien artean daude trantsizio-tenperatura altuagoak dituzten material supereroaleen garapena, materia topologikoaren azterketa edo propietate magnetiko aurreratuak dituzten aleazio berritzaileen karakterizazioa [9], [10]. Azkenik, neutroia hiru quarkez osatuta dagoenez, neutroien arteko talkak bezalako gertaerak, guztiek argiaren abiaduratik gertu dauden abiadura erlatibistetan bidaiatzen dutenez gero, fisika berriaren ezagutza partikulen fisikaren Eredu Estandarretik haratago lortzeko erabiltzen dira [11].

Beste ikuspegi batetik materialak aztertzeko tresna paregabetzat har daiteke neutroien zientzia, eta gaur egun politika zientifikoek zehazten dituzten kontzeptu-esparru nagusietako baten barruan dago: egungo gizartearen erronka handiei egoki ekiteko egiten duen ekarpena. Ingurumen-erronkei, hala nola kutsadurari, aurre egin dakieke neutroien erreflektometriaren eta difrakzio-esperimentuen bidez, kutsatzaileen berezko izaera zehazten baitute kutsatzen duten inguruneen barruan [12]. Energia sortzea eta biltegiratzea neutroiek lagun dezaketen eremuak dira, ingurumenarekin abegikorragoak diren materialetarako trantsizioarekin eta ekonomia zirkularreko paradigmekin batera, [13]. Informazioaren eta komunikazioaren teknologiak ere neutroien zientziei esker hobetzen dira; izan ere, neutroiekin asko aztertzen ari dira gailu spintronikoak, material ferroelektrikoak, datu magnetikoak biltegiratzeko materialak eta sentsoreak edo eragingailuak, besteak beste [14]. Neutroien bidez, egiturak denbora errealean erakusteko sakoneko irudi-tresna ez-inbaditzaile gisa dituzten gaitasun bakarrei esker, kultura-ondareko askotariko materialen barne-zatien 3Dko irudiak lor daitezke [15]. Gainera, neutroien sakabanatze-esperimentuak funtsezkoak dira endekapenezko gaixotasunak –Alzheimerra adibidez–, farmakoak emateko sistemak edo hortzen eta hezurren inplanteak, besteak beste, aztertzeko [16].

“Bizitza hobe baterako material berriak” garatzeko bikaintasun-zentro gisa, BCMaterials Materialen, Aplikazioen eta Nanoegituren Euskal Zentroak teknologia aurreratu eta jasangarriei lagunduko dien materialen belaunaldi berri bat garatzen dihardu. Eremu horretan, neutroien zientziak funtsezko tresna dira materialen diseinua eta aplikazioak gidatzen dituzten materialak ulertzeko. Zientzia azaltzen duen nazioarteko ahaleginari esker, gure ikertzaileek arrakastaz egin ahal izan dituzte neutroien sakabanatze-esperimentuak mundu osoko neutroi-iturrietan; besteak beste, Grenobleko Laue Langevin Institutuan (ILL) (Frantzia), Oxfordshireko neutroien eta muoien ISIS iturrian (Erresuma Batua), Municheko FRM-II zentroan (Alemania), Budapesteko Neutroien Zentroan (Hungaria), Dubnako Ikerketa Nuklearrerako Institutu Bateratuaren IBR-II zentroan (Errusia), edo Estatu Batuetako Oak Ridgeko Laborategi Nazionalaren zati den Spallation Neutron Source (SNS) azeleragailuan.

Hurrengo, gure ikertzaileek neutroien sakabanatze-teknikak erabiliz egindako esperimentu zientifikoen bost adibide espezifiko aurkezten dira. Lehen adibidea, energia-aplikazioetarako materialen, arloko neutroi difrakzioa, NR eta SANS esperimentu-konbinazio bat da, eguzki-zelula organikoen belaunaldi berri bat ikertzeko, iraunkortasun hobetua duena eta funtsezkoa dena energia sortzeko paradigma berrietarako. Zehatzago esanda, perovskitan oinarritutako eguzki-zelula organikoen degradazio-mekanismoak neutroiak sakabanatzeko hiru teknikaren konbinazioaren bidez aztertzen ari dira gaur egun: neutroien erreflektometria, angelu txikiko neutroien dispertsioa eta neutroien difrakzioa. Bigarren adibidea material multifuntzional aurreratuen azterketari dagokio, esaterako, forma-memoria duten aleazio ferromagnetikoen azterketari. Material magnetiko hauek, eremu magnetiko baten aplikazioarekin % 15eraino deformatzen dira, eta neutroien difrakzio-teknika mota batzuk konbinatuz aztertzen ari dira, hala nola: hauts, monokristal eta monokristal polarizatu neutroi difrakzioak. Neutroien esperimentu hauek aipatutako materialen egitura atomikoaren okupazioak eta spin magnetikoaren dentsitateak aztertzeko egiten ari dira, eta lortutako informazioa osatzeko, X izpien xurgapen neurketak egin dira Japoniako SPring-8 sinkrotronean (3. irudia).

Hirugarren adibide bat biomedikuntzarako material nanoegituratuen azterketan dago, SANS esperimentuen bidez bakterio magnetotaktikoetan txertatutako magnetosoma-kateen egitura azaleratzeko helburua duena; hipertermia magnetikoaren bidezko minbiziaren tratamendua hobetzeko ikerketa da. Laugarren adibidea ingurumen-arazoei heltzeko materialei dagokie, hala nola uraren erremediatzea eta elementu astunen arazketa, Egitura Metal-Organikoko (MOF, Metal-Organic Framework) materialen metalen adsortzio- eta funtzionalizazio-prozesuak ikertuz, neutroi inelastikoen eta kuasielastikoen dispertsio-esperimentuen bidez. Azkenik, zientzialariek BCMaterial zentruan egindako neutroien esperimentuen azken adibidea fabrikazio eta teknologia aurreratuen arloan dago, non lur arrarorik gabeko iman iraunkor berriak edo sentsore eta eragingailuetarako materialak neutroien difrakzio-esperimentuen bidez ikertzen ari diren.

Beraz, erronka konplexu bat du zientziak aurrean material aurreratuak eta multifuntzionalak garatzeko, eta gaur egungo teknologia berri ugarien artean funtsezko gisa ageri da neutroien zientzia, berandu baino lehen “bizitza hobe baterako materialen” belaunaldi berri batera iristen laguntzeko.

Esker ona

Eusko Jaurlaritzako Industria eta Hezkuntza Sailetako ELKARTEK, HAZITEK eta PIBA (PIBA-2018-06) programei.

Bibliografia

[1] Brockjouse, Bertram, N., Schull, C. G., (1994). The Nobel Prize in Physics 1994, (n.d.).

[2] Brückel, T. (2005). Forschung mit Neutronen in Deutschland – Status und Perspektiven.

[3] Willis, B.T.M., Carlile, C.J., (2009). Experimental Neutron Scattering. Anim. Genet. 39, 561–563.

[4] ESS project reports 2003 and update 2004, (n.d.).

[5] Doster, W., Cusack, S., Petry, W. (1989). Dynamical transition of myoglobin revealed by inelastic neutron scattering. Nature, 337 (1989) 754–756. DOI: https://doi.org/10.1038/337754a0.

[6] Neumann, D.A., Copley, J.R., Cappelletti, R.L., et al. (1991). Coherent quasielastic neutron scattering study of the rotational dynamics of C60 in the orientationally disordered phase. Phys Rev Lett, 67 (27), 3808-3811. DOI: 10.1103/PhysRevLett.67.3808.

[7] M. (Universite des S. et des T. de L.F.A. (France). L. de D. des C.M. Bée, Quasielastic Neutron Scattering, 1988.

[8] Shu, F., Ramakrishnan, V., Schoenborn, B.P., (2000). Enhanced visibility of hydrogen atoms by neutron crystallography on fully deuterated myoglobin. Proceedings of the National Academy of Sciences, 97 (8), 3872-3877. DOI:10.1073/pnas.06002469.

[9] Huang, Q., Qiu, Y., Bao, W., et al. (2008). Neutron-diffraction measurements of magnetic order and a structural transition in the parent BaFe2As2 compound of FeAs-based high-temperature superconductors. Phys Rev Lett, 101 (25), 257003. DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.257003.

[10] Katmis, F., Lauter, V., Nogueira, F.S., et al. (2016). A higherature ferromagnetic topological insulating phase by proximity coupling. Nature. 533 (7604), 513–516. DOI: 10.1038/nature17635

[11] Dubbers, D., Schmidt, M. G., (2011). The neutron and its role in cosmology and particle physics. Reviews of Modern Physics, 83 (4), 1111–1171. DOI: 10.1103/RevModPhys.83.1111.

[12] Cuello, G.J., Román-Ross, G., Fernández-Martínez, A., Sobolev, O., Charlet, L., Skipper, N.T. Pollutant Speciation in Water and Related Environmental Treatment Issues, in: 2009: pp. 491–520. DOI: https://doi.org/10.1007/978-0-387-09416-8_17.

[13] Mulder, Fokko; Dingemans, Theo; Schimmel, H.; Ramirez-Cuesta, A.; Kearley, G. (2008). Hydrogen Adsorption Strength and Sites in the Metal Organic Framework MOF5: Comparing Experiment and Model Calculations. Chemical Physics, 351, 72-76. DOI: 10.1016/j.chemphys.2008.03.034.

[14] Baker, M., Guidi, T., Carretta, S. et al. (2012). Spin dynamics of molecular nanomagnets unravelled at atomic scale by four-dimensional inelastic neutron scattering. Nature Phys 8, 906–911. DOI: 10.1038/nphys2431.

[15] Casali, F., Bettuzzi, M., Brancaccio, R., Morigi, M.P., (2010). New X-ray digital radiography and computed tomography for cultural heritage, in: Science for Cultural Heritage. Case Stud. Mar. L. Archaeol. Adriat. Reg. Inl. Veli Losinj, Croat. 28 – 31 August 2007, 2010: pp. 85–99. DOI: https://doi.org/10.1142/9789814307079_0008.

[16] Yong, W., Lomakin, A., Kirkitadze, M.D., Teplow, D. B., Chen, S.H., Benedek, G.B. (2002). Structure determination of micelle-like intermediates in amyloid β-protein fibril assembly by using small angle neutron scattering. Proceedings of the National Academy of Sciences, 99 (1), 150–154. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.012584899.

---

Egileez: Ainara Valverde eta Arkaitz Fidalgo-Marijuan BCMaterials zentroko (Basque Center on Materials, Applications and Nanostructures) ikertzaileak dira eta Jose Maria Porro, Viktor Petrenko eta S. Lanceros-Mendez Ikerbasque ikertzaileak dira BCMaterialsen (@BCMaterials).