Rayos X producidos con cinta adhesiva

(tomado de la Jornada, sección de ciencia)

La electrificación por contacto es un fenómeno común en nuestra vida cotidiana. ¿Cuántos globos no se han pegado a la pared después de frotarlos vigorosamente contra el cabello? ¿Quién no ha recibido alguna vez un ligero shock eléctrico al tocar el picaporte tras haber caminado descalzo sobre la alfombra? Los pequeños destellos que alcanzan a vislumbrarse son el resultado del paso de electrones de una superficie a otra a través del aire, de una manera muy similar a la caída de un rayo. De hecho, en el caso del rayo los electrones alcanzan energías tan altas que pueden llegar a producir rayos X.
Por: Juan Valentín Escobar Sotomayor y Carlos Gabriel Cámara*

La electrificación por contacto es un fenómeno común en nuestra vida cotidiana. ¿Cuántos globos no se han pegado a la pared después de frotarlos vigorosamente contra el cabello? ¿Quién no ha recibido alguna vez un ligero shock eléctrico al tocar el picaporte tras haber caminado descalzo sobre la alfombra? Los pequeños destellos que alcanzan a vislumbrarse son el resultado del paso de electrones de una superficie a otra a través del aire, de una manera muy similar a la caída de un rayo. De hecho, en el caso del rayo los electrones alcanzan energías tan altas que pueden llegar a producir rayos X.

Los rayos X (los mismos que usan los dentistas para detectar caries) son ondas electromagnéticas de la misma naturaleza que la luz visible pero con energías por lo menos 1000 veces mayores. En el caso de un relámpago, por ejemplo, puede que su generación no resulte tan impresionante dadas las grandes cantidades de corriente que se descargan. Lo que sí resulta sorprendente es que sólo basten tres sencillos ingredientes para generar rayos X en un laboratorio: un rollo de cinta adhesiva, una cámara de vacío y un motor (o un engrane) para despegar la cinta.
En el Laboratorio de Acústica y bajas Temperaturas del departamento de Física de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA), hallamos que cuando un rollo de cinta adhesiva (del tipo del que se compra en la tienda de la esquina!) es despegada en vacío (a un millonésimo de la presión atmosférica), la cantidad de rayos X que se producen en 10 segundos es suficiente como para obtener la radiografía de un dedo humano.
En la figura se muestra la cinta adhesiva despegándose dentro de la cámara y frente a una ventana transparente sobre la que se coloco la mano a radiografiar. La radiografía obtenida fue superpuesta sobre la porción de la mano que fue expuesta a la radiación, el dedo meñique.
La descarga de rayos X se da en pulsos que duran apenas un par de nano-segundos (1 nano-segundo= 1/1000,000,000 segundos), conteniendo cada uno cerca de 500,000 rayos X de energías típicas de 15,000 Volts –electrón (Volt-electrón, o ‘eV’, se define como la energía que tiene un electrón en un potencial de 1 Volt. La luz visible se encuentra en un rango de 2 a 3 eV). El que la cinta adhesiva este en vacío también provoca que la fuerza necesaria para despegarla aumente 10% por la interacción electrostática. Todo esto sugiere que la densidad de carga en las superficies de la cinta es 10 veces mayor de lo que se había medido en experimentos previos..
Estos resultados fueron publicados en la revista científica Nature de origen Inglés en su edición del 23 de octubre del presente año. Un video con la demostración puede accesarse libremente en la página de Internet de la misma revista: http://www.nature.com/nature/videoarchive/x-rays/
¿Por qué se producen rayos X?
Todo cuerpo (en equilibrio) tiende a ser electrónicamente neutro: tiene la misma cantidad de electrones y protones porque este es un estado de minima energía. Cuando dos cuerpos originalmente neutros son puestos en contacto, se lleva a cabo un reacomodo eléctrico en las superficies. Es decir, dependiendo de si se trata de metales, semiconductores, o aislantes, al ponerse en contacto puede haber transferencia de electrones o iones de un material a otro para alcanzar lo que se llama equilibrio termodinámico. Cuando estos materiales son separados abruptamente cada una de las superficies no tienen tiempo de regresarle a la otra las cargas que adquirió en el contacto, de modo que una superficie queda cargada positivamente (con falta de electrones) y otra negativamente (con exceso de electrones). Al separar las superficies cargadas, la energía potencial de los electrones aumenta hasta llegar al punto en que se ‘despegan’ de la superficie negativa y se aceleran hacia la superficie positiva. Si los electrones logran acelerarse lo suficiente antes de colisionar con la parte positiva, al desacelerarse pueden producir rayos X a través de un mecanismo que se conoce como radiación de tipo Bremsstrahlung (‘Romper’ en Alemán). La inmensa mayoría de los generadores comerciales de rayos X funcionan precisamente con este mismo principio, solo que el alto voltaje proviene de la toma de corriente (el enchufe en la pared), y no de electrificación por contacto.
¿Por qué es necesario el vacío?
Los electrones pueden perder su energía si colisionan con moléculas de gas que encuentren a su paso. Si esto ocurre es posible que ionicen las moléculas del gas produciendo subsecuentemente luz visible en lugar de rayos X (si se despega una cinta adhesiva en la oscuridad, esta emite una tenue luz azul).
¿Es seguro usar cinta adhesiva?
Una preocupación generalizada que ha surgido a raíz de este estudio, gira en torno a la seguridad de usar cinta adhesiva en la escuela, casa u oficina. De todas los tipos de adhesivos que hemos probado, ninguno genera rayos X a presión atmosférica. No podemos asegurar que este sea el caso para todas las marcas pero dado el fenómeno físico que está detrás, creemos que es poco probable. Si a alguien le sirve de referencia, nosotros pensamos seguir usando cintas adhesivas en nuestra vida cotidiana.
Perspectivas
Físicamente, se trata un fenómeno muy robusto. Los rayos X no sólo se producen despegando cinta adhesiva comercial. En general, muchos tipos de polímeros pegajosos generan rayos X cuando son despegados no solo de otros aislantes, sino también de diversos metales. Por ello creemos que el flujo de rayos X puede aumentar de manera importante ajustando las características químicas del polímero y el substrato, y la geometría en la que se despega.
Relevancia tecnológica
Creemos que este descubrimiento tiene el potencial de convertirse en un proceso muy económico para la producción de rayos X, incluso para fines médicos En particular, nos gustaría pensar que en un futuro no muy lejano el bajo costo y la falta de necesidad de electricidad para su uso faciliten el acceso a radiografías en zonas rurales. Aunque actualmente existen limitantes técnicas para su implementación directa, uno de los roles principales de la Ciencia es precisamente el abrir puertas para el desarrollo de tecnologías que nos ayuden a vivir mejor.

*Universidad de California, Los Ángeles.