La amplificación de la luz dentro de las partículas de aerosol acelera la fotoquímica en las partículas.

Las gotas minúsculas de líquido y las nanopartículas pueden atrapar la luz por un efecto de resonancia, llamado en jerga científica nanofocusing, de forma similar a como la luz puede quedar atrapada entre dos espejos. Como resultado, la intensidad lumínica es amplificada en su interior. Esto también sucede en gotas de agua muy finas y partículas sólidas en nuestra atmósfera, es decir, en aerosoles.

Utilizando microscopía de rayos X moderna, los investigadores de ETH Zurich y el Paul Scherrer Institute (PSI) han investigado cómo la amplificación de luz afecta los procesos fotoquímicos que tienen lugar en las partículas de aerosol. Pudieron demostrar que la amplificación de la luz hace que estos procesos químicos sean dos o tres veces más rápidos en promedio de lo que serían sin este efecto.

Esta investigación ha sido ahora publicada en la prestigiosa revista Science y nosotros nos hacemos eco de ella gracias a Pablo Corral, antiguo alumno de la Universidad de Salamanca, que es uno de los principales investigadores y al que ya referenciamos por otro prestigioso artículo publicado en la revista de gran impacto Nature Communications.

“Amplification of light within aerosol particles accelerates in-particle photochemistry” Pablo Corral Arroyo, Grégory David, Peter A. Alpert, Evelyne A. Parmentier, Markus Ammann and Ruth Signorell. SCIENCE, Vol 376, Issue 6590 [14 Apr 2022], pp. 293-296.

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Usando el “Swiss Light Source” (un acelerador de partículas en Suiza) en el Paul Scherrer Institute, los investigadores estudiaron aerosoles que consisten en pequeñas partículas de citrato de hierro (III). Su exposición a la luz ultravioleta reduce este compuesto a citrato de hierro (II). La microscopía de rayos X permite distinguir áreas dentro de las partículas de aerosol compuestas por citrato de hierro (III) de aquellas compuestas por citrato de hierro (II) con una precisión de 25 nanómetros. De esta forma, los científicos pudieron observar y mapear en alta resolución la secuencia temporal de esta reacción fotoquímica dentro partículas de aerosol individuales.

“Para nosotros, el citrato de hierro (III) era un compuesto representativo que era fácil de estudiar con nuestro método”, dice Pablo Corral Arroyo, postdoctorado en el grupo encabezado por la profesora Ruth Signorell, y autor principal del estudio. El citrato de hierro (III) es como toda una gama de otros compuestos químicos que pueden aparecer en los aerosoles de la atmósfera. Muchos compuestos orgánicos e inorgánicos son sensibles a la luz y, cuando se exponen a la luz, pueden descomponerse en moléculas más pequeñas y volátiles y, por lo tanto, éstas se pueden evaporar facilmente. “Las partículas de aerosol reaccionan con la luz solar cambiando su tamaño y composición química”, explica. Entre otras cosas, dispersan la luz solar de manera diferente, lo que afecta los fenómenos meteorológicos y climáticos. Además, cambian sus características como núcleos de condensación en la formación de nubes. “Las partículas de aerosol generan las nubes. La composición química de estas partículas influyen en su habilidad para formar nubes. Por lo que los procesos fotoquímicos iniciados por la luz solar en estas partículas, influyen en la formación de nubes.”

Los científicos usaron una microscopía de rayos X disponible en el “Swiss Light Source” para mapear y cuantificar con alta precisión la amplificación de la luz en las partículas se produce a través de efectos de resonancia. La intensidad de la luz es mayor en el lado de la partícula opuesto al que está iluminado, generando una zona dentro de la partícula, llamada hotspot, en la que la intensidad lumínica es unas 10 veces más alta que en el resto de la partícula. “En este hotspot, las reacciones fotoquímicas son hasta diez veces más rápidas de lo que serían sin el efecto de resonancia”, dice Pablo Corral Arroyo, “Vimos como en el hotspot la reacción fotoquímica ocurría mucho más rápido que en el resto de la partícula. La primera vez que medimos este efecto fue un momento increíble”, explica emocionado. Promediado sobre toda la partícula, esto da una aceleración por el factor mencionado anteriormente de dos a tres.

Usando los datos de su experimento, los investigadores pudieron crear un modelo para estimar el efecto en una variedad de otras reacciones fotoquímicas de los aerosoles típicos en la atmósfera. Resultó que el efecto no afecta solo a las partículas de citrato de hierro (III), sino a todos los aerosoles (partículas o gotitas) hechos de compuestos que pueden reaccionar con la luz. Y estas reacciones también son dos o tres veces más rápidas en promedio. Como tal, los resultados también tienen un efecto en la investigación climática. «Los modelos climáticos actuales de la química atmosférica global aún no tienen en cuenta este efecto de amplificación de la luz. Nosotros sugerimos incorporar este efecto en futuros modelos para predecir con más precisión patrones climáticos», dice Pablo Corral Arroyo.

Historia de las concepciones científicas sobre la luz.

Historia de las concepciones científicas sobre la luz. Sergio Barbero, Santiago Vallmitjana, Carmen Carreras (coord.) CSIC, 2015. DOI: https://doi.org/10.3989/arbor.2015.i775

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Pensamos que es legítimo preguntarse por la esencia de la luz dentro de la ciencia. Ahora bien, el significado de este interrogante es diferente si se plantea en el marco de la filosofía, de la metafísica o incluso de la mística. Conviene precisar, cómo hace Fernando Barbero: “Preguntarse por su esencia en el contexto de la física significa intentar comprender cuáles son los atributos que la caracterizan, sus propiedades, cómo podemos actuar sobre ella o cómo interacciona con la materia”. En efecto, comprender qué es la luz, en el marco epistemológico de la ciencia, es estudiar cómo esta se relaciona con el resto de objetos que componen el universo físico; es, entre otras cosas, como escribe Juan Pimentel, “saber cómo se comporta”. En este contexto, uno de los atributos fundamentales de la luz es conocer las leyes que rigen su propagación.

Descubriendo la luz: experimentos divertidos de óptica.

María Viñas Peña. Discovering Light Fun Experiments with Optics. Washington : Consejo Superior de Investigaciones Científicas, CSIC : International Society for Optics and Photonics, SPIE : Optical Society Foundation, OSA, 2021.

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La luz pone en conexión múltiples esferas del conocimiento del ser humano (física, química, biología, astronomía, ingeniería, arte?); además, los fenómenos ópticos y las tecnologías relacionadas con ellos están muy presentes en nuestra vida cotidiana. ¿Qué es la luz? ¿Qué hay detrás de sus diferentes manifestaciones? ¿Qué es un instrumento óptico? ¿En qué se parece el ojo a un instrumento óptico? ¿Cómo explicamos la visión humana? ¿En qué se basan las tecnologías ópticas que utilizamos cada día? ¿Dónde está la óptica en la naturaleza?

Este libro, escrito por un equipo de jóvenes científicos, pretende dar respuesta a estas y otras preguntas y acercar al lector al emocionante mundo de la óptica y la fotónica. Su propuesta divulgativa, dirigida al público general, pero con especial énfasis en los estudiantes de todos los niveles de Educación Secundaria, presenta una amplia variedad de experimentos relacionados con los distintos fenómenos e instrumentos ópticos, en el que se exponen con claridad los pasos a seguir. Todos ellos vienen precedidos de la explicación de los conceptos necesarios para su realización e interpretación, y acompañados de numerosas ilustraciones y curiosidades.

Versión en castellano NO gratuita

Relación entre masa y luz en vacíos cósmicos.

Los vacíos cósmicos tienen entornos cuyas propiedades están en buen acuerdo con los modelos, son relativamente simples y con luz emitida que se escala linealmente con la masa.

Y Fang, N Hamaus, B Jain, … Dark Energy Survey year 1 results: the relationship between mass and light around cosmic voids. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 490, Issue 3, December 2019, Pages 3573–3587. https://doi.org/10.1093/mnras/stz2805.

Esta es la conclusión del artículo científico, publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, que analiza la primera publicación de datos del DES (Dark Energy Survey), con el objetivo de describir la relación entre la masa y la luz alrededor de los vacíos cósmicos. [ACCEDER AL ARTICULO]

¿Cuáles son los perfiles de masa y galaxia de los vacíos cósmicos?

Estos vacíos cósmicos ocupan la mayor parte del volumen del universo. A diferencia de los cúmulos de galaxias y otras estructuras densas que se ven fuertemente afectadas por los efectos gravitacionales, sin mencionar los procesos asociados con la formación de galaxias, estos vacíos son las regiones más densas del universo y tienen una dinámica relativamente simple. Esto los hace sondas particularmente sencillas para restringir parámetros cosmológicos.

Los científicos usan modelos estadísticos para analizar tanto la distribución en 2-D de las galaxias como su distribución en 3-D, esta última obtenida al calcular distancias de galaxias desde sus desplazamientos al rojo determinados fotométricamente. En el nuevo estudio, encontraron que los dos métodos coinciden bien entre sí, y con modelos en los que la física de los entornos vacíos es muy simple, y en los que la cantidad de luz emitida se escala directamente con la masa.

Los huecos en el espacio intergaláctico con diámetros entre aproximadamente cien y seiscientos millones de años luz se ajustan lo suficientemente bien como para permitir que las pruebas de la relación masa-luz sean mejores al diez por ciento. Con futuras observaciones, las estadísticas mejoradas deberían permitir nuevas pruebas de consistencia útiles de gravedad y relatividad general y escenarios de materia oscura, informa el Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica (CfA).

Proyecto “ATTOSTRUCTURA: Structured attosecond pulses for ultrafast nanoscience”

Dos investigadores de la Universidad de Salamanca consiguen 2.5 M€ de financiación para proyectos en la prestigiosa convocatoria ERC Starting Grants del Consejo Europeo de Investigación | Sala de Prensa
El Rector de la Universidad de Salamanca, la Vicerrectora de Investigación y los dos investigadores premiados

Dos investigadores de la Universidad de Salamanca han conseguido 2.5 M€ de financiación para dos proyectos en la prestigiosa convocatoria ERC Starting Grants del Consejo Europeo de Investigación, que tiene como objetivo ayudar a los científicos y académicos individuales a construir sus propios equipos y realizar investigaciones pioneras en todas las disciplinas.

Con una financiación de hasta 1.5 M€ (excepcionalmente hasta 2 M€) por un máximo de 5 años, las starting grants suponen una verdadera oportunidad para que investigadores jóvenes con buenas ideas puedan convertirse en líderes de grupos de investigación.

Carlos Hernández-García, del Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica (ALF-USAL), y Ainoa Castro Correa, del Grupo de Investigación en Antigüedad Tardía y Alta Edad Media en Hispania (ATAEMHIS), forman parte de los 408 jóvenes investigadores de más de 51 países de todo el mundo, de ellos sólo 20 procedentes de España, que han logrado financiación para sus proyectos, a través del programa de investigación e innovación de la UE, Horizonte 2020.

Dos investigadores de la Universidad de Salamanca consiguen 2.5 M€ de financiación para proyectos en la prestigiosa convocatoria ERC Starting Grants del Consejo Europeo de Investigación | Sala de Prensa

Proyecto “ATTOSTRUCTURA: Structured attosecond pulses for ultrafast nanoscience”, de Carlos Hernández-García

La luz es una de las herramientas más poderosas que tenemos para explorar la naturaleza en la frontera del conocimiento humano. Gracias al rápido desarrollo de la tecnología láser hoy en día se pueden generar pulsos ultracortos de luz coherente y estructurada, es decir, pulsos láser con propiedades espaciales y temporales a la carta, como su intensidad, su fase y su momento angular. Esta última representa una de las propiedades de la luz más interesantes en la actualidad, ya que la luz que lleva momento angular interactúa con la materia de manera diferente. Por ejemplo, puede inducir giros en estructuras nanométricas, o cambiar las leyes fundamentales de interacción entre la luz y la materia.

Recientemente el grupo de investigación de Aplicaciones del Láser y Fotónica (ALF-USAL) ha demostrado la generación pulsos de luz estructurada con una nueva propiedad, el torque de la luz, resultado que fue publicado en la revista Science el pasado mes de julio. Además, esta nueva forma de radiación láser estructurada se emite en forma de pulsos de luz muy breves, con duraciones de femtosegundo o incluso attosegundos.

Este proyecto pretende explorar las nuevas oportunidades que ofrecen estos pulsos láser estructurados con duraciones de attosegundo. Se trata de un proyecto teórico de ciencia fundamental en el que se estudiarán nuevos regímenes de interacción de la luz con la materia. Son escenarios donde se desconocen cuáles son las leyes físicas que los gobiernan, y requieren un gran esfuerzo en la elaboración de herramientas teóricas para diseñar, proponer y guiar futuros experimentos en la frontera de la ciencia ultrarrápida. En concreto, este proyecto busca extender la generación de estos pulsos láser de luz estructurada hacia los rayos X, que permitan interaccionar con la materia a escala nanométrica, y por tanto abrir nuevas vías en el campo de la nanotecnología ultrarrápida. Por ejemplo, se estudiará la posibilidad de inducir campos magnéticos ultrarrápidos que permitan explorar mecanismos de almacenamiento magnético de información de alta velocidad.