Láseres, robots, acción: el taller del MIT explora la espectroscopia Raman

¿Puede un taller de tres horas sobre una técnica avanzada de análisis de materiales convertir a alguien en detective o quizás en restaurador de arte?

A finales de enero, en el Centro de Bits y Átomos (CBA) del MIT, alrededor de una docena de estudiantes exploraron esta posibilidad durante un taller del Período de Actividad Independiente (IAP) sobre espectroscopia Raman, una técnica que utiliza luz láser para “imprimir” materiales. La sesión incluso contó con un perro robótico equipado con equipo de detección, demostrando cómo se pueden realizar análisis químicos de forma remota.

El taller, dirigido por el postdoctorado del MIT Lamyaa Almehmadi en colaboración con CBA, presentó a los participantes una poderosa técnica que actualmente utilizan la policía y los socorristas para identificar narcóticos y explosivos, los gemólogos para autentificar piedras preciosas y las compañías farmacéuticas para verificar las materias primas y garantizar la calidad del producto. El investigador graduado de la CBA, Jiaming Liu, coorganizó, dio conferencias, demostró equipos Raman y contribuyó al plan de estudios con demostraciones prácticas.

“Puede abrir nuevas posibilidades de innovación en muchos campos”, afirmó Almehmadi, químico analítico del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE). Después de que los participantes aprendieron los conceptos básicos, los animó a pensar creativamente sobre nuevas aplicaciones: “Mi esperanza es inspirarlos a todos a pensar en hacer algo con espectroscopía Raman que nadie haya hecho antes”.

Material para imprimir

Los participantes trajeron elementos a clase para analizarlos utilizando dispositivos portátiles, que disparan luz láser y miden cómo rebota. El patrón resultante se comporta como una huella digital molecular, identificando los materiales en el artículo, ya sea un clip, un trozo de corteza de árbol o un tazón.

La participante del taller Sarah Ciriello, asistente administrativa del DMSE que trajo una piedra que encontró en la playa, quedó sorprendida por los resultados. El dispositivo Raman sugiere una probabilidad del 39 por ciento de que la muestra contenga material similar al concreto, y las lecturas restantes coinciden con compuestos sintéticos, borrando la línea entre materiales naturales y manufacturados.

“Es obra del hombre; me sorprendió”, dijo Ciriello.

Desarrollada en 1928 por el científico indio CV Raman, que más tarde ganó el Premio Nobel de Física, la espectroscopia Raman fue innovadora porque utilizaba luz visible para sondear materiales sin destruirlos, una gran ventaja sobre otras técnicas de la época, como la cromatografía o la espectrometría de masas. Pero durante décadas, la señal Raman (la luz dispersada desde una muestra) fue débil y los instrumentos eran grandes y voluminosos, lo que limitaba su uso práctico.

Los avances en láseres, potencia informática y óptica miniaturizada han transformado la espectroscopia Raman en una herramienta portátil. Los dispositivos portátiles actuales pueden comparar instantáneamente la huella molecular de la muestra con grandes bibliotecas digitales, lo que permite a los usuarios identificar miles de materiales en un segundo. Debido a que no destruye la muestra, Raman es especialmente útil en campos que requieren la preservación de materiales, como la aplicación de la ley, donde las pruebas deben permanecer intactas, y la restauración de arte.

La propia investigación de Almehmadi se centra en el avance de la espectroscopia Raman mediante el desarrollo de sensores basados ​​en semiconductores altamente sensibles que hacen posible el análisis químico portátil, con aplicaciones que van desde diagnósticos médicos hasta monitoreo forense y ambiental.

“Rare puede utilizarse para analizar cualquier material”, afirma Almehmadi. “Por eso decidí presentárselo a estudiantes de diversos orígenes”.

Las clases de IAP están abiertas a estudiantes y personal de todo el MIT, y el taller de Raman reflejó ese rango: desde personal administrativo hasta estudiantes de posgrado y pregrado y becarios postdoctorales en departamentos y laboratorios, incluidos DMSE, el Departamento de Ingeniería Mecánica, el Media Lab y el Broad Institute.

Pasea al perro robot

Un elemento del taller que agradó al público fue la integración de un perro robot del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial (CSAIL) del MIT. La demostración destaca cómo se puede utilizar la tecnología Raman en entornos peligrosos, como escenas de crímenes o sitios industriales tóxicos.

El dispositivo portátil se fijó al robot con cinta adhesiva y Almehmadi mostró cómo podía guiar al perro a través de una bolsa de plástico llena de un polvo blanco: bicarbonato de sodio.

Pero en un escenario real, “¿Cómo podemos saber si es bicarbonato de sodio o no?” dijo. “Así que simplemente encendimos la luz y luego el instrumento nos dijo qué era”.

Los participantes utilizaron una aplicación Wi-Fi en sus teléfonos para ver sus resultados y un pequeño control remoto para operar los perros robot ellos mismos.

“Me encantó el perro robot”, dice Ciriello. “Pude controlarlo un poco, pero fue difícil porque el medidor era muy sensible”.

Michael Kitcher, postdoctorado en DMSE, también elogió la demostración del robot.

“Dado que acabamos de grabar el dispositivo en el perro, fue genial ver que realmente funcionó”, dijo.

Mirar adelante

Kitcher, que investiga materiales magnéticos para aplicaciones electrónicas, se unió al taller para aprender más sobre la espectroscopia Raman, sobre la que había leído pero que nunca había utilizado. Quedó impresionado por su versatilidad: además de la piedra de playa y el bicarbonato de sodio, el dispositivo identifica el material de lentes de contacto, cosméticos e incluso un diamante.

Aunque le costó analizar un trozo de chocolate que trajo (otras señales del chocolate interfirieron), Kitcher vio un gran potencial para su propia investigación. Una de las áreas que le interesan son los materiales magnéticos no convencionales, como la alternancia, con un comportamiento magnético inusual que los investigadores esperan comprender y controlar mejor para lograr una electrónica más eficiente desde el punto de vista energético.

“Durante los últimos años, la gente ha estado tratando de tener una mejor idea de por qué estos materiales se comportan como lo hacen: cómo podemos controlar este orden magnético no convencional”, dijo. La espectroscopia Raman puede sondear las vibraciones de los átomos en un material, ayudando a los investigadores a detectar patrones en la estructura cristalina que subyacen al comportamiento magnético inusual. Al comprender estas vibraciones, los científicos podrían desbloquear las reglas de diseño de materiales que permiten la computación ultrarrápida y de baja energía.

Talleres prácticos como este, que inspiran futuras aplicaciones innovadoras, dice Almehmadi, son el corazón de la educación en el MIT.

“Siempre he aprendido mejor haciendo”, dijo. “Las conferencias y la lectura son importantes, pero la verdadera comprensión proviene de la experiencia práctica”.