Els feixos d'ions són, a grans trets, corrents controlats d'àtoms o molècules carregades que s'acceleren i dirigeixen amb camps elèctrics i magnètics dins un buit. Lluny de ser un concepte de laboratori sense més ni més, s'han convertit en eines imprescindibles en ciència, indústria, medicina, espai i fins i tot en defensa planetària. La seva versatilitat és perquè permeten analitzar, modificar i empènyer matèria amb una precisió difícil d'igualar per altres tècniques.
Avui es fan servir per estudiar des de la composició d'un pigment d'un quadre fins a la resposta de l'ADN davant de radiació i la destrucció selectiva de tumors. També serveixen per endurir materials destinats a reactors de fusió o naus espacials, produir radiofàrmacs i fins i tot per a maniobres de propulsió iònica i desviament d'asteroides. Recorrerem, amb calma i sense embuts, com es generen, com s'acceleren i en què s'aprofiten.
Què és un feix d'ions i com es comporta
Un feix d'ions és, ni més ni menys, un flux dirigit de partícules amb càrrega elèctrica. Com que estan carregades, aquestes partícules guanyen o perden velocitat segons el camp elèctric que travessen i poden ser enfocades o desviades per camps magnètics. A la pràctica, es confinen dins de tubs de buit metàl·lics per reduir col·lisions amb l'aire i mantenir trajectòries precises, des d'uns pocs electrovolts fins a energies tan altes que freguen una fracció apreciable de la velocitat de la llum, depenent de l'accelerador.
En els feixos d'ions, l'estabilitat i la qualitat del feix es mesuren per paràmetres com a corrent, divergència, energia i puresa isotòpica. La càrrega neta pot provocar repulsió entre ions, el que tendeix a separar el feix; per això es fan servir tècniques de neutralització i òptica de feixos per mantenir-lo “tancat” i amb la forma desitjada.
Com es generen: fonts d'ions i plasma
El primer pas per tenir un feix és la font iònica. La configuració més estesa consta de tres elements clau: una càmera de descàrrega (on es crea el plasma), un joc de reixetes dextracció i un neutralitzador. A continuació, el gas (molt sovint argó) s'introdueix a una cambra de quars o alúmina amb una antena de radiofreqüència bobinada voltant.
Aquest camp de RF excita els electrons del gas per acoblament inductiu fins que la barreja s'ionitza: neix el plasma. Del plasma se n'extreuen els ions travessant un conjunt de reixetes amb diferència de potencial, que els accelera i els “colima” formant un raig. Finalment, s'hi afegeix un neutralitzador (font d'electrons) per compensar la càrrega positiva del feix, cosa que redueix la seva divergència i evita la sobrecàrrega electrostàtica del blanc.
- Cambra de descàrrega: regió on el gas s'ionitza i es produeix el plasma.
- Reixetes d'extracció: acceleren i modelen el raig d'ions.
- Neutralitzador: emet electrons per neutralitzar càrrega i estabilitzar el feix.
En fabricació avançada també es recorre a fonts específiques com el duoplasmatró, molt usat per crear feixos iònics destinats al gravat o sputtering. L'elecció de la font depèn del gas, el corrent requerit i la qualitat de feix desitjada.
Acceleradors i feixos tàndem: del laboratori a la mostra
Un cop generat, el feix es pot injectar en diferents acceleradors. Els acceleradors electrostàtics tàndem són un clàssic: multipliquen l'energia dels ions i els dirigeixen contra una mostra o un objecte. Allí, els ions es poden dispersar, retrocedir o estimular l'emissió de radiació (principalment raigs X o gamma). Aquesta radiació es detecta i s'analitza per inferir la composició i l'estat estructural del material sota estudi.
L'energia de les partícules emeses o dels fotons radiats proporciona pistes fines: si el material és cristal·lí o amorf, la seva duresa i altres propietats clau per a tecnologies emergents. A més, el ventall de mostres és enorme: làmines o pel·lícules primes, pastilles de sòl, cèl·lules humanes o vegetals, llavors, roques, líquids o objectes de valor històric. Segons la geometria i la composició, el bombardeig es pot fer en buit o fins i tot en aire si escau.
Tècniques analítiques amb feixos d'ions
Diverses tècniques es recolzen a estimular i llegir la resposta de la mostra. Entre elles, PIXE (emissió de raigs X induïda per partícules) y NRA (anàlisi per reaccions nuclears), molt sensibles a la composició química i isotòpica. Altres exploten la dispersió elàstica o el retrocés dels ions per perfilar concentracions amb profunditat i caracteritzar estructura.
Aquests mètodes permeten, per exemple, determinar l'origen de contaminants com aerosols fins a l'aire o partícules de sediments transportades per l'aigua. També serveixen per caracteritzar contaminants en aliments, obtenir imatges de cèl·lules individuals i estudiar la distribució d'oligoelements en teixits, claus per desentranyar mecanismes de malaltia.
Una altra àrea d'impacte és el patrimoni cultural. Amb feixos d'ions es pot analitzar de forma no destructiva tintes, pigments, pintures o esmalts en ceràmiques i vidres per esbrinar-ne procedència, autenticitat i possibles intervencions passades. De passada, s'investiga la corrosió i la degradació i es dissenyen estratègies de conservació més encertades.
Modificació de materials: de la nanoescala als reactors
A més d'analitzar, els feixos d'ions són una eina tremenda per modificar materials. En nanotecnologia es fan servir per crear estructures a mida; en electrònica, la implantació iònica introdueix dopants amb precisió nanomètrica. Fins i tot s'exploren usos directes sobre biomaterials, com ara mutagènesi dirigida a ADN aplicada a millora vegetal.
Quan parlem de materials per a entorns extrems (pensem en vehicles espacials o reactors de fusió), els feixos d'ions energètics permeten “accelerar la vida” del material. Poden reproduir, en poc temps, nivells de dany equivalents a anys d'irradiació per neutrons ràpids en un reactor experimental, superant amb escreix el que assoliria un assaig convencional.
Més encara: aplicant dos o més feixos simultanis és possible generar in situ gasos d'hidrogen i heli dins del material, simulant l'efecte combinat de reaccions nuclears. Així es recreen els mecanismes d'inflament i fragilització de les envolupants del combustible i altres zones crítiques, cosa que agilitza el cribratge de nous candidats.
Gravat i fabricació avançada: arenada a escala atòmica
El gravat iònic se sol comparar amb un sorrenc a pressió, on en comptes de grans de sorra s'usen molècules o ions individuals per erosionar lobjectiu. Sol emprar-se un fes iònic de duoplasmatró per a ablació física i, quan es combina amb química, parlem de gravat iònic reactiu (RIE). El seu ús estrella està a la micro i nano-fabricació de semiconductors.
La clau aquí és la direccionalitat i la selectivitat. Els ions accelerats incideixen amb energies ben definides, el que permet obrir solcs nets i reproduïbles, atacar només capes determinades i protegir-ne d'altres amb màscares. És una tècnica que ha anat de la mà de les litografies més avançades per multiplicar la miniaturització.
Biologia i medicina: de radiobiologia a hadronteràpia
En biologia els feixos d'ions s'aprofiten per estudiar senyalització cel·lular, comunicació intra i extracel·lular i la cascada de danys i reparació de l'ADN després d'irradiació. En “disparar” ions amb energies controlades es poden mapejar respostes biològiques amb una granularitat espacial i dosimètrica exquisida.
Al front clínic, la hadroteràpia utilitza ions com protons, heli o carboni per atacar tumors. La seva gran carta és el denominat bec de Bragg: els ions perden poca energia al principi i l'alliberen de cop al final de la seva trajectòria, just on hi ha el tumor, cosa que minimitza el mal a teixits sans. Això resulta especialment valuós a prop d'òrgans sensibles com a cervell, medul·la espinal o pròstata.
Un equip de la Universitat d'Alacant ha treballat durant anys en models avançats per optimitzar aquest tractament i ha desenvolupat el codi SEICS (Simulation of Energetic Ions and Clusters through Solids). Aquest programari segueix trajectòries de projectils en materials biològics (com ADN, proteïnes o aigua líquida) i calcula magnituds rellevants de la interacció. Entre altres èxits, han obtingut la distribució radial d'energia de feixos de protons, íntimament lligada a la precisió del dany tumoral. Es mou per sota del mil·límetre, una xifra que deixa en evidència la finor de la tècnica.
Avui existeixen al món de l'ordre de seixanta centres d'hadronteràpia. Són instal·lacions complexes i costoses perquè requereixen sincrotrons o equips equivalents per accelerar protons o ions de carboni, però s'espera que l'avenç tecnològic abarateix progressivament el desplegament. En paral·lel, els protons i altres ions són fonamentals per produir radioisòtops que es fan servir en radiofàrmacs tant diagnòstics com terapèutics.
Electrons i raigs X: el cosí proper
Paral·lelament als feixos d'ions, els feixos d'electrons juguen un paper notable. Es generen en acceleradors específics i es fan servir per produir raigs X dirigits a irradiar tumors i destruir cèl·lules canceroses. A la indústria alimentària s'utilitzen electrons o raigs X per desinfectar aliments i eliminar bacteris perillosos, sense degradar qualitat organolèptica ni valor nutricional.
Com veus, el món dels feixos carregats (ions i electrons) és ampli i complementari. L'elecció del projectil depèn de l'aplicació, la dosi i la profunditat dacció requerida.
Propulsió elèctrica espacial
Els mateixos principis que governen un feix en un laboratori s'apliquen a la propulsió iònica a l'espai. Els motors iònics o de plasma expulsen ions a altíssima velocitat per produir empenta molt eficient. Com que el raig és carregat, s'afegeix un neutralitzador d'electrons per evitar que la nau es carregui i per mantenir col·limat la fuita. Aquesta tecnologia està present a satèl·lits i sondes interplanetàries, on lestalvi de combustible marca la diferència.
Defensa planetària amb feixos d'ions: empènyer un asteroide
Entre els milers de NEOs (objectes propers a la Terra), una fracció són asteroides potencialment perillosos. El risc real, deixant a part els grans ja gairebé catalogats, resideix en cossos dentre 50 i 400 metres, amb més probabilitat entre 50 i 150 m. La seva naturalesa és variada: alguns són monòlits, molts són “piles de runa” on un impacte cinètic pot tenir efectes difícils de predir.
A més d'interceptadors cinètics o nuclears, o del tractor gravitatori, hi ha una altra idea elegant: utilitzar un feix d'ions com “empeny-asteroides”. La sonda apunta el raig contra la superfície; els ions transfereixen moment lineal a base de xocs i, mantingut durant mesos o anys, el canvi acumulat a l'òrbita pot ser suficient per evitar l'impacte amb la Terra. El gran avantatge és que no depèn de si l'asteroide és sòlid o una pila de fragments, i l'empenta pot orientar-se en la direcció més eficaç a cada moment.
Aquest concepte té exigències pràctiques. Es necessita una nau amb motors iònics potents (de l'ordre de 50–100 kW). Per quedar-se “al mateix” de l'asteroide, es fan servir dos motors de potència similar apuntant en sentits oposats: un empeny l'asteroide, l'altre compensa la reculada de la sonda. S'ha de situar a més de tres ràdios de l'asteroide perquè les pèrdues per atracció gravitatòria baixin de l'1%. I el feix convé que en tingui una divergència propera a 10° per cobrir l'objectiu sense “perdre” material fora. Això afavoreix els motors iònics amb reixeta (de baixa dispersió) davant de molts motors Hall, que solen donar feixos més oberts.
Al terreny de missions conceptuals, John Brophy (JPL) ha proposat desviar l'asteroide 2004 JN1 amb una sonda del voltant d'una tona, amb uns 68 kg de xenó com a propel·lent. El disseny contempla panells solars capaços de generar ~2,9 kW a la distància solar prevista i un conjunt de dotze motors de plasma, dels quals dos operarien de forma continuada per a la maniobra. El repte és mantenir la punteria i la estació relativa davant de pertorbacions, una cosa gens trivial. Si el temps d'alerta és suficient (de cinc anys o més) i la mida de l'objecte ronda 50-100 m, la tècnica encaixa molt bé. En escenaris amb poc marge o amb altres mides, un impactador cinètic tipus DART pot ser l'opció més pragmàtica.
Fes ultrafreds i fonts brillants: àtoms refredats amb làser
Un altre front amb gran projecció són les fonts “brillants” basades en àtoms ultrafreds. Gràcies al refredament i atrapament amb làser (guardonats amb Nobel el 1997 i 2001), és possible reduir dràsticament la velocitat tèrmica dels àtoms i controlar-ne el comportament. El projecte europeu COLDBEAMS va unir experts en feixos iònics enfocats i en àtoms neutres ultrafreds per desenvolupar noves fonts d'ions i electrons a partir d'àtoms refredats amb làser.
El seu resultat més cridaner va ser un fes col·limat i molt brillant d'àtoms de cesi refredats en un parany magneto-òptic, demostrant que es pot generar un feix iònic monocromàtic i d'alta brillantor idoni per a microscòpia, imatge i gravat a nanoescala. També van obrir la porta a produir paquets d'ions amb càrrega definida i dinàmica controlada, cosa que promet avenços des de la física fins a la química i la biologia. Part d'aquests resultats es va publicar a Physical Review A, consolidant l'enfocament com via de futur per a feixos enfocats.
Millora vegetal i aplicacions ambientals
En agricultura, els feixos d'ions es fan servir per induir mutacions controlades en material vegetal i plàntules, accelerant processos evolutius naturals. L'objectiu és obtenir cultius més productius o resistents a malalties i sequeres. És una extensió de la modificació d'ADN amb finalitats pràctiques i amb un impacte directe en seguretat alimentària.
A l'àmbit ambiental, les tècniques analítiques comentades permeten rastrejar l'origen d'aerosols fins a l'aire o de sediments en aigua, clau per dissenyar polítiques de qualitat de l'aire i control de contaminació. També es monitoregen traces en aliments i s'elaboren mapes de distribució d'elements crítics a teixits biològics, connectant amb la salut pública.
Infraestructures i formació: el paper de l'OIEA
La comunitat internacional ha estat moguda per impulsar l'accés a aquestes tecnologies. L'OIEA planeja una instal·lació tàndem de feixos d'ions d'última generació a Seibersdorf (Àustria), coneguda com a IBF. Amb ella brindarà suport a la investigació, formació i capacitació d'especialistes en múltiples aplicacions, inclosa la producció de partícules secundàries (neutrons) per a estudis avançats.
Per allotjar l'accelerador, la infraestructura i la instrumentació associada, l'organisme n'ha estimat una finançament al voltant de 4,6 milions d'euros. A més, manté un Portal de Coneixements sobre Acceleradors amb llistats d'instal·lacions de feixos d'ions de tot el món, cosa que facilita sinergies, estades i projectes col·laboratius entre països.
Els feixos d'ions han passat de ser una curiositat de física a convertir-se en una caixa d'eines transversal que connecta anàlisi elemental, imatge, modificació a nanoescala, teràpies oncològiques d'alta precisió, propulsió espacial i defensa planetària. L'ecosistema es completa amb feixos d'electrons per a radiació mèdica i esterilització d'aliments, i amb fonts ultrafredes que prometen la propera generació de feixos brillants. Si alguna cosa queda clara és que el seu impacte continuarà creixent, perquè poques tecnologies aconsegueixen abastar tant, amb aquest nivell de control i amb resultats tan mesurables.
