Un artículo de nuestra colaboradora Mayte Gómez Castaño*

Este pasado mes de julio se llevó a cabo la VI edición de los Campus Científicos de Verano, organizados por la Fundación Española de Ciencia y Tecnología (FECYT) en colaboración con multitud de universidades de toda España. Hay quien los llama campamentos científicos, pues consisten en una serie de actividades en las que alumnos de 4º de la ESO y 1º de Bachillerato se meten en la piel de un científico durante una semana, llevando a cabo ellos mismos todas las fases de un experimento.

Inauguración de los Campus Científicos de Verano en el acelerador del CMAM (Foto de FECYT)

En nuestro caso, el equipo de DayInLab ha formado parte del campus que se ha realizado en el Centro de Microanálisis de Materiales (CMAM) de la Universidad Autónoma de Madrid.

El tema propuesto era ¡la falsificación de un euro! Y no hablamos de intentar hacer una moneda bien redondita y dibujar en ella la cara del rey, no; hablamos de intentar hacer una moneda cuya composición sea idéntica a la de un euro de verdad, y para comprobarlo nuestros chicos iban a usar, nada más y nada menos, que un acelerador de partículas.

Un euro, como todos sabéis, está formado por una parte central de color plateado y una arandela que la rodea, de un color dorado. Lo que nosotros les propusimos fue crecer una moneda cuya composición fuese igual a la de la parte central. La composición de ésta es de 75 % cobre y 25 % níquel, así que sabiendo los elementos químicos necesarios y en qué proporción queríamos cada uno, nos dirigimos al equipo de pulverización catódica, más conocido como sputtering.

Sistema de crecimiento de láminas delgadas por pulverización catódica (sputtering)

La pulverización catódica es un método de crecimiento de láminas delgadas basado en la evaporación de un blanco sólido gracias a la cascada de colisiones que se produce cuando los iones de un plasma chocan contra la superficie del blanco. Aunque en el colegio apenas se menciona este (cuarto) estado de la materia, los chicos captaron pronto el concepto: el plasma no es más que gas ionizado, es decir, los átomos y moléculas que lo conforman no son todos neutros, sino que están cargados eléctricamente.

Interior de la cámara de pulverización que utilizamos para crear nuestra moneda falsa

El plasma generado en el equipo de pulverización catódica se consigue a partir de una descarga eléctrica sobre el gas inyectado, que, en nuestro caso, es argón. Una vez tenemos el plasma, mediante campos magnéticos, conseguimos controlar la trayectoria de los iones que lo conforman, dirigiéndolos hacia nuestros blancos de Cu y Ni.

Portamuestras con nuestra moneda falsa, un euro y un patrón de cobre

Cuando dichos iones chocan con los átomos de la superficie consiguen arrancarlos, pues la energía transmitida en el choque supera su energía de enlace y, finalmente, los átomos se depositan en el sustrato, creciendo así nuestra moneda de Cu y Ni. Como curiosidad, en inglés a este proceso se le conoce con el nombre de sputtering ya que sputter significa escupir y eso es en el fondo lo que está pasando: nuestros blancos escupen los átomos de la superficie hacia el sustrato.

¿Y cómo conseguimos que la composición de nuestra moneda sea de un 75 % Cu y un 25 % Ni? Fácil. Previamente hemos estudiado cómo influyen las distintas condiciones de crecimiento para cada elemento: flujo de gas inyectado, potencia de descarga aplicada al plasma, tiempo de depósito, etc. De modo que a partir de las calibraciones previas, nuestros jóvenes científicos echaron cuentas y en un par de minutos sabíamos perfectamente las condiciones en las que íbamos a trabajar para tener la proporción deseada.

Método de análisis PIXE explicado en 3 pasos

Con nuestra moneda ya crecida, fuimos al acelerador de partículas para medir su composición en la línea de microhaz externo (microhaz porque el haz de iones utilizado es de tamaño micrométrico y externo porque es la única línea de nuestro acelerador en la que los iones salen al aire en vez de colisionar con las muestras dentro de un tubo en vacío). La técnica que utilizamos fue PIXE que, como bien dijo una de nuestras chicas en la presentación final del campus, viene del inglés Particle Induced X-Ray Emission. Es decir, se basa en la emisión de rayos X inducida por partículas.

Detectores de rayos X sobre nuestras monedas (un euro real y uno crecido por pulverización) en la línea de microhaz externo

¿Cómo obtenemos estos rayos? Lo que ocurre es que cuando un ión alcanza nuestra moneda, éste puede colisionar con un electrón de los átomos que la componen, consiguiendo arrancarlo de su órbita. Tras ello, el electrón ha dejado un hueco que los electrones de niveles superiores querrán ocupar por encontrarse a menor energía. Cada vez que un electrón de una capa superior baja a ocupar el hueco, como le sobra energía, emite luz, pero no luz visible, sino fotones con una energía del orden de unos pocos keV: rayos X (por cierto, los chicos eran tan listos que aprendieron sin problemas esta nueva unidad de energía).

Transiciones electrónicas que dan lugar a la emisión de rayos X en PIXE

¿Y cómo sabemos a qué átomo pertenece el electrón que ha emitido el rayo X? Lo sabemos porque distintos elementos químicos, al tener una configuración electrónica distinta, emiten rayos X de diferentes energías, teniendo cada elemento unas líneas de emisión características que hacen el papel de huellas dactilares, pues no hay dos elementos de la tabla periódica que tengan las mismas transiciones entre niveles. De este modo, midiendo los rayos X que salen de nuestra moneda al ser irradiada, podemos identificar fácilmente qué elementos la componen y en qué proporción.

Como se ve en la imagen anterior, las líneas principales de transición de un nivel a otro son las líneas Kα y Kβ. Éstas son las correspondientes al salto de un electrón desde el segundo y tercer nivel al fundamental, respectivamente, y son las principales por ser las más probables, cuánticamente hablando.

Posición del haz de partículas en la moneda de euro real (protones irradiando la península ibérica)

Sabiendo todo esto, llevamos nuestro euro fake y el real a la línea de microhaz y acelerando protones medimos su composición. Hicimos uso de dos detectores de rayos X, uno de alta y otro de baja energía para así poder registrar con mayor precisión los rayos de cada una de estas zonas del espectro. Además, entre otros, teníamos una cámara y un láser. Estos dos dispositivos los utilizamos porque no podemos ver dónde incide el haz de iones en ninguna de nuestras monedas pues no son ionoluminiscentes, pero lo que sí que podemos ver es el láser sobre las muestras. Así que alineando previamente el láser con el haz de partículas, podemos saber a qué punto exacto de las monedas están llegando nuestros protones. ¡Llegamos a ponerlo sobre la península ibérica del mapa de Europa del euro real!

Pero por el camino nos encontramos con un pequeño problema, y es que nuestros detectores de rayos X no entienden de energías, sólo de pulsos eléctricos, de modo que cada vez que les llega un rayo, lo convierten en una señal eléctrica de intensidad proporcional a la energía, lo que llamamos canales. Así que en primer lugar tuvimos que ver qué canal correspondía a qué energía, para lo cual llevamos a cabo una calibración: a partir de distintos patrones de composición conocida (cobre, latón…), identificamos los distintos canales con sus energías, obteniendo una recta de calibración para cada detector. ¡A los de la última semana una de las rectas les salió perfecta, con un coeficiente de correlación igual a 1!

Recta de calibración del detector de rayos X (de alta energía)

Y, por fin, convertidos canales a energías, supimos exactamente qué elementos tenían tanto la moneda falsa como la moneda real, pues no teníamos más que ver qué energías eran las que los detectores habían registrado un mayor número de veces.

Espectros de PIXE del euro real y el euro falso

Comparando los espectros de ambas monedas, vimos como nuestro euro falso estaba compuesto, como esperábamos, por cobre y níquel, aunque en el crecimiento nos quedamos un poco cortos con éste último… Pero lo más interesante es que descubrimos que un euro no sólo está compuesto por los dos elementos que ya hemos dicho, sino que además ¡tiene manganeso! La concentración de éste es mucho más pequeña que la de los otros, así que lo que veíamos eran impurezas. Pero por pocos átomos de Mn que tuviésemos, nos fue suficiente para determinar que lamentablemente nuestra moneda era una falsificación =(.

Diferencias entre espectros de PIXE de distintas monedas: euro, libra, dólar y dirham

Y aparte, ya que tanto los profes como los alumnos éramos muy curiosos, a lo largo de todo el mes medimos también por PIXE la composición de distintas monedas del mundo como una libra, un dólar y un dírham (de los Emiratos Árabes). Descubrimos que no todas las monedas están hechas de los mismos metales ni en la misma proporción y es que, por ejemplo, las dos primeras también contienen zinc, mientras que el dírham tiene los mismos elementos que nuestra moneda de euro pero en una proporción de Cu y Ni más próxima al 50 %.

Por último, como parte final del campus, los chicos de cada semana expusieron delante del resto de sus compañeros del campus de la UAM todo lo que habían hecho y aprendido, con unas presentaciones que nada tenían que envidiar a las de los profesionales, y en las que demostraron que se habían convertido en auténticos científicos.

Desde DayInLab queremos daros las gracias por la ilusión y entusiasmo que mostrasteis desde el primer día. Esperamos que todos pasaseis una gran semana y que os consiguiésemos transmitir el amor por la ciencia. Para nosotros fue un verdadero placer.

*Mayte es graduada en Física, máster en Materiales avanzados, y PhD student en la Universidad de Burdeos. Además es autora del original blog No sin mi tesis.