Luz síncrotron: a radiação que foi do extraordinário ao cotidiano

Laboratório Nacional de Luz Síncrotron
Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (SP)

Desde que foi observada pela primeira vez, há quase mil anos, como consequência da explosão de uma estrela moribunda no céu, a luz síncrotron – radiação emitida por partículas elétricas e ultravelozes – passou de fenômeno exuberante e curioso para uma das ferramentas mais úteis da ciência para estudar a matéria em seus detalhes mais diminutos. No Brasil, o acelerador Sirius – fonte geradora de luz síncrotron – está entre os mais avançados do mundo. Hoje, aplicações dessa radiação permeiam diversas áreas do conhecimento científico.

Vista aérea das instalações do Sirius, acelerador do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), em Campinas (SP)

CRÉDITO: CNPEM

Imagine-se observando o céu no ano de 1054, quando percebe uma nova estrela, brilhando quase com a intensidade de uma lua cheia. Essa ‘estrela visitante’ ficou visível durante o dia por quase um mês e durante a noite por quase dois anos. 

O fenômeno cósmico responsável por essa visão, tão esplêndida quanto aterradora, foi o colapso de uma estrela com massa cerca de dez vezes superior à do Sol, dando origem ao que conhecemos hoje por Nebulosa do Caranguejo. 

A luz dessa explosão (tecnicamente, denominada supernova) – observada de diversos pontos do planeta e documentada por astrônomos chineses – representa o primeiro registro histórico de observação do que, hoje, chamamos de luz síncrotron.

A luz dessa explosão – observada de diversos pontos do planeta e documentada por astrônomos chineses – representa o primeiro registro histórico de observação do que, hoje, chamamos de luz síncrotron

A luz síncrotron é a radiação eletromagnética emitida por partículas dotadas de carga elétrica e relativísticas, ou seja, que viajam a velocidades próximas à da luz no vácuo (300 mil km/s). Essa radiação é emitida toda vez que essas partículas (por exemplo, prótons e elétrons) são desviadas de suas trajetórias. 

Essas partículas podem ser desviadas de sua trajetória quando sofrem a ação de forças transversais a seu movimento – imagine essas forças como uma rajada lateral de vento enquanto você corre.

A radiação (ou luz) síncrotron é conhecida desde o século 19, graças às equações propostas pelo britânico James Clerk Maxwell (1831-1879) e consideradas até hoje joias da física teórica. 

Segundo as equações de Maxwell, a explicação para a luz síncrotron é a seguinte: forças transversais causam perturbações no campo elétrico de partículas carregadas relativísticas. E essas perturbações se propagam – como oscilações dos campos elétricos e magnéticos das partículas (ou seja, na forma de radiação eletromagnética) – tanto pelo vácuo quanto pelos materiais. 

Mosaico gigante de imagens da Nebulosa do Caranguejo , os restos da SN 1054, tirada pelo Telescópio Espacial Hubble em luz visível.

CRÉDITO: NASA /ESA

Das lentas às frenéticas

Radiação eletromagnética é um termo geral para designar oscilações de campos elétricos e magnéticos que viajam à velocidade da luz. Ela se apresenta sob vários ‘tipos’ – e grande parte deles, como veremos, não podem ser vistos por nossos olhos. 

A radiação eletromagnética é classificada segundo sua frequência (número de oscilações por segundo). Esta última pode variar muito: há desde as ondas mais ‘lentas’ (ondas de rádio, por exemplo) até aquelas que oscilam ‘freneticamente’, como os raios gama, emitidos por certos elementos radioativos. 

Entre esses dois extremos, estão: as micro-ondas, que aquecem aquela comidinha de última hora e conectam nossos celulares; o infravermelho (‘calor’); a luz visível, aquela que enxergamos, do calmo vermelho ao vibrante violeta. 

Subindo a frequência, entramos na área do ultravioleta – radiação invisível para nós, mas maléfica para a pele –, chegando aos raios X, usados nas radiografias e tomografias médicas.

Ideia mais ousada

Hoje, sabemos que, em seu último suspiro, aquela estrela moribunda liberou no cosmo partículas velozes (relativísticas) e campos magnéticos intensos. Esses fenômenos resultaram no espetáculo celestial presenciado em 1054. 

No século passado, fomos além da compreensão do fenômeno da luz síncrotron. Fizemos algo verdadeiramente extraordinário: inventamos engenhocas capazes de acelerar partículas até velocidades próximas à da luz. Essas máquinas são chamadas aceleradores de partículas. 

Iniciamos com os aceleradores lineares, nos quais as partículas são aceleradas em uma ‘pista’ (tubo) reta e longa, por meio de estruturas aceleradoras que consistem em campos elétricos oscilantes, concentrados em cavidades metálicas ao longo da trajetória retilínea. 

Logo, se percebeu que seria possível almejar energias muito mais altas, nas quais as partículas atingissem velocidades cada vez mais próximas à da luz – esta última é um limite intransponível da natureza para qualquer objeto com massa.

Em seguida, nos aventuramos pelos aceleradores circulares, denominados cíclotrons, propostos ainda no fim da década de 1920. Nesses equipamentos, um campo magnético constante mantém as partículas em um movimento circular, fazendo-as ganhar um pouco mais de impulso a cada volta, com a ajuda de campos elétricos que as empurram na mesma direção em que elas estão indo (aceleração longitudinal) e de forma sincronizada com seu giro. 

Assim, essas partículas passam várias vezes pela mesma estrutura aceleradora, descrevendo uma espiral que se expande à medida que sua energia aumenta. 

A invenção dos cíclotrons foi um marco que transformou a física de aceleradores. Mas esse avanço foi superado por ideias ainda mais ousadas que culminaram com os aceleradores síncrotron.

Nos cíclotrons, à medida que as partículas são aceleradas a energias cada vez maiores, a sincronização com os campos elétricos longitudinais desanda. Isso ocorre devido a um fenômeno previsto na teoria da relatividade do físico de origem alemã Albert Einstein (1879-1955): quanto mais uma partícula se aproxima da velocidade da luz, mais pesada ela fica. Nos cíclotrons, isso atrasa o ritmo de sua volta e a faz perder sincronia com a aceleração longitudinal. 

Nos síncrotrons, essa limitação foi superada por meio de um mecanismo em que as diferentes energias das partículas são constantemente autossincronizadas com a aceleração longitudinal: partículas de maior energia recebem menos aceleração, enquanto aquelas de menor energia recebem mais aceleração – esse mecanismo atua como uma mola que busca equilibrar a energia de cada partícula em torno de um valor médio. 

Adicionalmente, à medida que a energia média das partículas aumenta, o campo magnético é ajustado para mantê-las em uma trajetória de raio constante, evitando que se expandam em espiral, como ocorre nos cíclotrons. 

Com essa invenção, foi possível construir aceleradores gigantescos, alcançando níveis de energia cada vez mais impressionantes.

Lâmpadas universais

Essas maravilhas da tecnologia moderna não se limitam a simplesmente acelerar partículas. Por exemplo, nos síncrotrons colisores, os físicos são capazes de recriar, por meio do choque de partículas com energia altíssima, condições semelhantes, mas em escalas diminutas, às do próprio Big Bang, processo associado à criação do universo. 

Exemplo emblemático disso é o Grande Colisor de Hádrons – mais conhecido pela sigla, em inglês, LHC –, o mais potente dos colisores síncrotron da atualidade. Essa máquina, localizada no Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN), em Genebra (Suíça), cria feixes de prótons acelerados a altíssimas energias.

As colisões entre esses prótons resultam em uma pirotecnia de novas partículas. A observação do resultado dessas colisões permite testar as teorias mais mirabolantes sobre a essência da matéria. 

Prótons têm carga elétrica (positiva). Portanto, quando acelerados a velocidades próximas à da luz e forçados a alterar suas trajetórias, emitem luz síncrotron. 

Vale aqui uma comparação. A luz emitida pela supernova de 1054 tem origem semelhante: partículas carregadas foram desviadas de suas trajetórias por causa dos campos magnéticos superintensos, ambos gerados na explosão.

No caso dos síncrotrons colisores, como o LHC, toda a energia das partículas deveria estar focada nas colisões. Portanto, a emissão de luz síncrotron nessas máquinas é um efeito colateral indesejado. 

Mas, caso o interesse seja gerar esse tipo de radiação, então, o mais lógico seria projetar aceleradores com um fim específico: maximizar sua emissão. Essas máquinas têm nome: anéis de armazenamento síncrotron.

Os anéis de armazenamento síncrotron (ou, simplesmente, síncrotrons, para nossos propósitos aqui) são como ‘lâmpadas’ universais de alta intensidade

Em vez de prótons, esses equipamentos aceleram elétrons, que são cerca de duas mil vezes mais ‘leves’ que os prótons – portanto, mais fáceis de acelerar, emitindo significativamente mais luz síncrotron que os prótons.

 Embora os anéis de armazenamento e os síncrotrons colisores compartilhem a mesma base tecnológica, eles lidam com a luz síncrotron de maneiras distintas: nos colisores, a radiação é um subproduto indesejado; nos anéis, as colisões são evitadas, e a luz síncrotron é o tesouro buscado.

Os anéis de armazenamento síncrotron (ou, simplesmente, síncrotrons, para nossos propósitos aqui) são como ‘lâmpadas’ universais de alta intensidade: iluminam com vários tipos de luz (do infravermelho aos raios gama) e com uma potência concentrada que daria inveja ao próprio Sol.

Dança dos elétrons

A luz produzida por um síncrotron é enviada para espécies de ‘microscópios’ que os físicos denominam linhas de luz – na prática, por causa do tamanho e da complexidade, elas se parecem mais com telescópios.

Nas linhas de luz, a radiação inicialmente é filtrada com base em suas ‘cores’ (frequências) – tecnicamente, ela é chamada de monocromática. Em seguida, a luz síncrotron é focalizada em amostras de materiais que devem ser estudados. 

Essa interação gera imagens tridimensionais (3D) de altíssima resolução – aqui, estamos explorando o fato de essa radiação se propagar pela matéria.

O segredo do contraste dessas imagens está no modo como a luz síncrotron faz os elétrons dos materiais ‘dançarem’. Essas partículas absorvem a energia da radiação e, ao ‘dançarem’, devolvem essa energia em uma variedade enorme de fenômenos que podem ser diretamente monitorados.

Nas linhas de luz, essa dança subatômica é capturada por sensores ‘afinados’ para detectar ‘cores’ (frequências) específicas emitidas por esses elétrons. Com isso, conseguimos extrair uma infinidade de informações sobre como estão distribuídas essas partículas nos materiais e, a partir daí, inferir de onde vêm as propriedades da amostra estudada. 

Cada ‘cor’ que captamos nos detectores nos conta uma história diferente sobre os elétrons e seus papéis nos materiais. No mundo do infravermelho (calor), espiamos os átomos da amostra como se estivessem esticando e encolhendo suas ligações químicas. Esse tipo de dança nos revela os tipos de ligações químicas que entrelaçam os átomos e em que quantidade elas se manifestam. 

Quando mergulhamos na faixa do ultravioleta e dos raios X de baixa energia, passamos a bisbilhotar os ‘saltos’ que os elétrons, ao absorverem esse tipo de radiação, dão de uma órbita menos energética para uma mais energética. Com isso, aprendemos sobre outros elétrons na ‘vizinhança’ e os padrões de como essa população eletrônica se movimenta. 

Já a luz síncrotron na faixa dos raios X ou ainda mais energética é capaz de penetrar profundamente a matéria – às vezes, por causa da energia que carrega, essa radiação chega a arrancar elétrons em seu caminho, o que gera uma cascata de fenômenos secundários de emissão de radiação.

Esses fenômenos – base das chamadas espectroscopias de raios X – se comportam como um ‘eco’ que nos permite ‘ouvir’ as histórias mais profundas que os materiais têm para nos contar.

Esses fenômenos – base das chamadas espectroscopias de raios X – se comportam como um ‘eco’ que nos permite ‘ouvir’ as histórias mais profundas que os materiais têm para nos contar

Tudo isso nos permite enxergar o interior dos materiais com uma transparência reveladora – uma verdadeira tomografia do material estudado, só que milhões de vezes mais detalhada e com muito mais ‘cores’.

Além disso, quando os raios X atravessam materiais com estrutura atômica bem organizada (cristalinos), ocorre um fenômeno típico da óptica (interferência) que, para os físicos, funciona como uma ‘régua atômica’, ou seja, algo capaz de medir a distância entre os átomos do material e, como consequência, localizá-los com precisão extraordinária.

Experimento feito em uma das várias linhas de luz síncrotron do acelerador Sirius 

CRÉDITO: CNPEM

No mundo e no Brasil

Neste momento, há pouco mais de 30 fontes de luz síncrotron em operação no mundo. No hemisfério Sul, Austrália e Brasil têm essas máquinas – na América Latina, orgulhosamente, somos caso único. 

Quase todos esses equipamentos operam administrativamente de forma muito semelhante: são laboratórios multiusuários e abertos para as pesquisas das comunidades científicas locais. Também coincidem na forma de operar cientificamente: o anel de armazenamento envia simultaneamente luz síncrotron para várias linhas de luz, 24 horas por dia. 

Nas linhas de luz, pesquisadores de diversas regiões geográficas trazem suas amostras para análise e testam não só hipóteses sobre como funcionam os materiais em nível microscópico, mas também investigam possíveis aplicações deles em física, engenharia, biologia, ciência dos materiais, arqueologia, paleontologia, química, ciências ambientais etc.

Os síncrotrons são ambientes de convergência entre tantas disciplinas científicas que mais se parecem a eventos olímpicos das ciências, desempenhando papel vital na infraestrutura científica global. 

O Brasil, aventurando-se nessa jornada a partir da década de 1980, adentrou esse clube exclusivo, emergindo como um de seus membros mais proeminentes. Com o Sirius, nossa ‘joia’ de última geração, financiada com recursos federais, estamos na vanguarda dessa exploração. 

O Brasil, aventurando-se nessa jornada a partir da década de 1980, adentrou esse clube exclusivo, emergindo como um de seus membros mais proeminentes

Nossa equipe de investigadores pode ser comparada a exploradores de fronteiras desconhecidas, revelando não só o que os materiais são, mas também o que poderão ser.

O acelerador Sirius está entre as fontes mais avançadas (quarta geração) de luz síncrotron no mundo – é a única máquina do gênero na América Latina 

CRÉDITO: CNPEM

Como um fio de cabelo

Como em qualquer avanço tecnológico, os síncrotrons progridem através de gerações – o Sirius pertence à mais avançada delas no momento. Uma das características que o fazem pertencer a esse grupo de elite tecnológica tem a ver com o diâmetro do feixe de elétrons relativísticos gerado por essas máquinas, pois isso é crucial para a obtenção de imagens da matéria com alta nitidez. 

Um feixe de diâmetro mais largo gera imagens ‘desfocadas’, o que cria dificuldades para estabelecer, com precisão, detalhes da estrutura da amostra. Em contraste, um feixe mais fino permite que os elétrons nos materiais reajam com maior ‘clareza’ – ou, como dizem os físicos, uma luz síncrotron mais coerente gera imagens mais nítidas. 

Com cada nova geração de síncrotrons, aprimoramos essa precisão, diminuindo o tamanho do feixe, em média, em quase dez vezes, aperfeiçoando a resolução de nossas imagens e a rapidez da captura da radiação que a amostra devolve aos detectores. 

Atualmente, na quarta geração, conseguimos um feixe mais estreito que um fio de cabelo – portanto, na casa dos milésimos de centímetro. Isso permite observar a matéria com um detalhamento nunca visto até agora. 

No mundo, há só três anéis de armazenamento de quarta geração. O Sirius, no Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais, em Campinas (SP), é um deles, ao lado do EBS-ESRF (sigla, em inglês, para Fonte Extremamente Brilhante da Instalação Europeia para a Radiação Síncrotron), em Grenoble (França), e do MAX-IV, em Lund (Suécia). 

Com mais projetos em desenvolvimento globalmente neste momento, a competição promete se tornar ainda mais acirrada.

Receita para um síncrotron

Para montar um síncrotron de quarta geração, começamos com o básico: o edifício. Precisa ser grande como um estádio de futebol, meticulosamente planejado e protegido contra qualquer vibração. 

Em torno do anel circular do acelerador, há milhares de ímãs, cada um criado sob medida para guiar os elétrons através de tubos com um vácuo tão perfeito que rivaliza com o vazio lunar. 

Os componentes mecânicos? Eles precisam da precisão de um relojoeiro e da agilidade de uma máquina de fazer microchips. Tudo isso é orquestrado por circuitos eletrônicos avançados, responsáveis por etapas que vão desde energizar os elétrons até capturar a ‘resposta’ das amostras na forma de dados digitais. 

E, no fim dessa cadeia incrível, supercomputadores rodam algoritmos que traduzem essa sinfonia de ‘cores’ em imagens tridimensionais dos materiais – tão detalhadas que deixam até profissionais da área boquiabertos. 

No Sirius, vimos a maior parte dessa tecnologia ser desenvolvida e fabricada no Brasil, com a participação de empresas nacionais de ponta. E quais segredos essas maravilhas da engenharia nos desvendam? 

No campo da saúde, os feixes de raios X gerados por síncrotrons espalhados pelo mundo foram decisivos para decifrar o mapa da estrutura atômica das proteínas do SARS-CoV-2 (vírus da covid-19), marcando um salto monumental rumo ao desenvolvimento de vacinas. 

Os dados dessas pesquisas seguem enriquecendo o Protein Data Bank, vasto repositório global de estruturas proteicas que tem sido essencial para a invenção de novos medicamentos e o desenvolvimento de moléculas (enzimas) revolucionárias para a biotecnologia. 

No quesito meio ambiente, as imagens químicas tridimensionais geradas pelos síncrotrons nos revelam, por exemplo, o tráfego de nutrientes entre o solo e as plantas. A paleontologia foi transformada pela habilidade de essas máquinas poderem fazer uma tomografia por raios X do interior de fósseis, sem alterá-los – nesse caso, os síncrotrons se comportam como uma máquina do tempo que preserva enquanto revela.

Na gestão de recursos naturais, as imagens tomográficas de alta resolução sustentam a tecnologia das chamadas rochas digitais, a qual abre novas perspectivas para modelar a extração de petróleo – especialmente, daquele escondido nos minúsculos poros das rochas do pré-sal. Esse método permite espiar os fenômenos que ocorrem na dimensão dos poros em amostras mantidas em condições de temperatura e pressão semelhantes às encontradas em reservatórios. 

E, quando se trata de energias renováveis, os síncrotrons têm ajudado na busca por painéis solares mais eficientes e baterias que duram mais tempo, com base na análise do ‘coração’ dos materiais e de seus processos físico-químicos.

Combinando múltiplas técnicas experimentais, em diferentes linhas de luz, os síncrotrons permitem testar hipóteses sobre mecanismos microscópicos menos compreendidos da conversão de luz em energia.

Do deslumbramento ao domínio

Enfim, quase mil anos se passaram desde a primeira documentação da deslumbrante luz síncrotron no céu até o ponto em que a humanidade conseguiu dominá-la, por meio da ciência e tecnologia – essa luz veio para ficar e iluminar nossa incansável busca pelo conhecimento.

Enfim, quase mil anos se passaram desde a primeira documentação da deslumbrante luz síncrotron no céu até o ponto em que a humanidade conseguiu dominá-la, por meio da ciência e tecnologia

Os síncrotrons se tornaram parte vital da infraestrutura científica global na pesquisa em materiais sintéticos e naturais. E o nosso Sirius brilha hoje como a mais nova e uma das mais brilhantes estrelas dessa constelação. 

Motivado pela curiosidade e urgência em solucionar desafios do mundo, esse processo tem transformado o complexo em extraordinário e o extraordinário em cotidiano, nos permitindo sondar os segredos mais íntimos da matéria.

LIU, L.; RESENDE, X. R.; RODRIGUES, A. R. D.; SÁ, F. H; WESTFAHL Jr., H. Sirius: a 5BA low-emittance lattice with superbends for the New Brazilian synchrotron light source. Synchrotron Radiation News v. 26, n. 3, pp 34-38, 2013.

WILLMOTT, P. An Introduction to Synchrotron Radiation: Techniques and Applications.  Chichester (Reino Unido): Wiley, 2019.

Na internet:
Página do Sirius: http://lnls.cnpem.br/sirius

Comentário (1)

  1. Magníficos: o caminho, a pesquisa, os resultados, o texto.
    Racionalmente compreensível, claro, divertido. Para os simples mortais, no entanto, ainda é quase “chinês”, difícil de decifrar. Abstrato demais para um cérebro comum…
    Parabéns aos cientistas!!!!!

Seu Comentário

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *

Outros conteúdos desta edição

725_480 att-86817
725_480 att-86492
725_480 att-86522
725_480 att-86776
725_480 att-86725
725_480 att-86535
725_480 att-86857
725_480 att-86573
725_480 att-86872
725_480 att-86550
725_480 att-86562
725_480 att-86749
725_480 att-86756
725_480 att-86764
725_480 att-86475

Outros conteúdos nesta categoria

725_480 att-81551
725_480 att-79624
725_480 att-79058
725_480 att-79037
725_480 att-79219
725_480 att-87306
725_480 att-87325
725_480 att-87110
725_480 att-87386
725_480 att-86776
725_480 att-86725
725_480 att-86535
725_480 att-86055
725_480 att-85946
725_480 att-86145