Khadouja Harouaka (sentado) e Isaac Arnquist preparan muestras en un laboratorio ultralimpio, lo cual es necesario para asegurar mediciones precisas de espectrometría de masas. Crédito:Andrea Starr | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
A menos que se descubra gas radón en una inspección de la casa, la mayoría de la gente permanece felizmente inconsciente de que rocas como el granito, minerales metálicos, y algunos suelos contienen fuentes de radiación naturales. En la mayoría de los casos, los niveles bajos de radiación no son un problema de salud. Pero a algunos científicos e ingenieros les preocupan incluso los niveles mínimos de radiación, que puede causar estragos en equipos sensibles. La industria de los semiconductores, por ejemplo, gasta miles de millones cada año para obtener y "eliminar" niveles de ultratrazas de materiales radiactivos de microchips, transistores y sensores sensibles.
Ahora, los químicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de los EE. UU. Han desarrollado un método simple y confiable que promete transformar la forma en que se separan y detectan los ultra trazas de elementos. Los bajos niveles de elementos radiactivos que ocurren naturalmente, como el uranio y los átomos de torio, a menudo se encuentran escondidos entre metales valiosos como el oro y el cobre. Ha sido extraordinariamente difícil poco práctico, o incluso imposible, en algunos casos, para averiguar cuánto se encuentra en muestras de mineral extraídas en todo el mundo.
Sin embargo, la obtención de materiales con niveles muy bajos de radiación natural es esencial para ciertos tipos de instrumentos y detectores sensibles. como aquellos que buscan evidencia de partículas actualmente no detectadas que muchos físicos creen que en realidad comprenden la mayor parte del universo.
"Realmente estamos superando los límites de la detección, ", dijo el químico Khadouja Harouaka." Queremos medir niveles muy bajos de torio y uranio en componentes que entran en algunos de los detectores más sensibles del mundo. Es particularmente difícil medir niveles bajos de torio y uranio en metales preciosos como el oro que entra en los componentes eléctricos de estos detectores. Con esta nueva técnica, podemos superar ese desafío y lograr límites de detección tan bajos como 10 partes por billón de oro ".
Eso es como tratar de encontrar un trébol de cuatro hojas en aproximadamente 100 mil acres de trébol, un área más grande que Nueva Orleans.
Introducción de muestras para el espectrómetro de masas de plasma acoplado inductivamente de PNNL, que acaba de establecer un nuevo estándar mundial para la detección de niveles ultrabajos de radiación en muestras de oro. Crédito:Andrea Starr | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
Mundos de partículas en colisión
Los científicos localizan sus átomos extraordinariamente raros de "trébol de cuatro hojas" del enorme campo de átomos ordinarios enviando sus muestras a través de una serie de cámaras de aislamiento. Estas cámaras primero filtran y luego chocan los átomos raros con oxígeno simple, creando una molécula "etiquetada" de un peso molecular único que luego se puede separar por su tamaño y carga.
El efecto es como encontrar una manera de atar un globo de helio a cada átomo de torio o uranio objetivo para que flote sobre el mar de muestra de oro y pueda contarse. En este caso, el contador sofisticado es un espectrómetro de masas. La investigación se detalla en un número reciente del Journal of Analytical Atomic Spectroscopy.
La innovación central es la cámara de la celda de colisión, donde los átomos cargados de torio y uranio reaccionan con oxígeno, aumentando su peso molecular y permitiéndoles separarse de otras señales superpuestas que pueden disfrazar su presencia.
"Tuve un momento aha, "dijo Greg Eiden, el inventor PNNL original de la celda de colisión patentada, que se utiliza para realizar estas reacciones, reduciendo así la interferencia no deseada en la lectura del instrumento por un factor de un millón. "Fue esta química milagrosa la que elimina las cosas malas que no quieres en tu muestra para que puedas ver lo que quieres ver".
El químico de PNNL Greg Eiden inventó la celda de colisión, visto aquí, lo que permite a los científicos etiquetar y separar con mayor precisión los elementos mezclados en muestras. Crédito:Andrea Starr | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
En el estudio actual, Harouaka y su mentor Isaac Arnquist aprovecharon el trabajo de Eiden para descubrir la pequeña cantidad de átomos radiactivos que, sin embargo, pueden arruinar los equipos de detección electrónicos sensibles.
Entre otros usos, la innovación puede permitir a los químicos, dirigido por el químico senior Eric Hoppe y su equipo en PNNL, para perfeccionar aún más la química que produce el cobre electroformado más puro del mundo. El cobre forma un componente clave de los detectores físicos sensibles, incluidos los utilizados para la verificación de tratados nucleares internacionales.
Tour de escucha de neutrinos
El físico de Stanford Giorgio Gratta ayuda a liderar una búsqueda global para capturar evidencia de los bloques de construcción fundamentales del universo. El experimento nEXO, ahora en las etapas de planificación, está superando los límites de detección de la evidencia de estas escurridizas partículas, llamados Fermiones de Majorana. Las señales que buscan provienen de eventos extremadamente raros. Para detectar tal evento, Los experimentos requieren detectores exquisitamente sensibles que estén libres de pings de radiación perdidos introducidos a través de los materiales que componen el detector. Eso incluye los metales en la electrónica necesarios para registrar los eventos extremadamente raros que desencadenan la detección.
"PNNL es líder mundial en detección de radiación ultratraza, ", dijo Gratta." Su combinación única de innovación y aplicación proporciona una contribución importante que permite experimentos sensibles como nEXO ".
PNNL alberga el cobre más puro del mundo. Crédito:Andrea Starr | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
El físico Steve Elliott del Laboratorio Nacional de Los Alamos enfatizó hasta dónde deben llegar los investigadores para garantizar un entorno escrupulosamente limpio para la detección de partículas raras.
"En programas experimentales en los que incluso las huellas dactilares humanas son demasiado radiactivas y deben evitarse, Las técnicas para medir niveles ultrabajos de impurezas radiactivas son críticas. " él dijo, agregando que este método podría proporcionar una forma importante de obtener materiales para otro detector de eventos de neutrinos raros de la próxima generación, llamado LEYENDA, está previsto su despliegue en una ubicación subterránea en Europa.
Limpieza de semiconductores y computadoras cuánticas
Semiconductores, los componentes básicos de la electrónica moderna, incluidos los circuitos integrados, microchips, transistores, Los sensores y las computadoras cuánticas también son sensibles a la presencia de radiación parásita. Y el ciclo de innovación exige que cada generación empaquete cada vez más en microchips cada vez más pequeños.
"A medida que la arquitectura se hace cada vez más pequeña, La contaminación por radiación es un problema cada vez mayor en el que los fabricantes han estado trabajando al cambiar la arquitectura dentro de los chips. ", dijo Hoppe." Pero sólo hay un punto en el que puedes llegar con eso, y realmente comienzas a sentirte limitado por la pureza de algunos de esos materiales. La industria se ha fijado objetivos que en este momento no puede alcanzar, por lo que tener una técnica de medición como esta podría hacer que algunos de esos objetivos sean alcanzables ".
Mas ampliamente, Eiden agregado, "en el gran mundo de la tabla periódica probablemente haya aplicaciones para cualquier elemento que le interese. Y lo que Eric, Khadouja e Isaac están analizando cualquier rastro de impureza en cualquier material ultrapuro ".
