radiología en la prensa: Fluorescencia de rayos X aplicada al mundo del arte

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El grito, Edward Munch (1893)
El grito, Edward Munch (1893)

Si pudierais venir a mi casa y echarle un vistazo a mi salón, aparte de los infinitos juguetes de mi chaval desperdigados por todos lados, solo veríais un elemento decorativo: una lámina enmarcada de un cuadro de la famosa serie “El grito” de Edvard Munch. Dos son las razones que me llevaron a romper la austeridad decorativa que me caracteriza: por un lado tener un recuerdo de lo mal que lo pasé haciendo la tesis (desazón, agobio, pánico, frustración,…. qué mejor que el “El grito” para representarlo), y por otro tener una pincelada de arte que contrarreste mi actividad como científico.

Y es que nos guste más o menos (a mí me gusta muy poco os lo aseguro), el mundo de la Ciencia y el de las disciplinas artísticas son divergentes hoy en día. Parece fuera de lugar que, por ejemplo, un científico se pueda conmover visitando la Acrópolis de Atenas (a mí me paso) o bien que un artista se maraville de las ecuaciones que rigen el movimiento de los planetas. Cada disciplina considera a la otra de segunda. Accesoria. Sin embargo, afortunadamente, existen lugares comunes donde es posible un entendimiento. Momentos donde científicos y artistas se unen en busca de un objetivo compartido.

La técnica conocida como Fluorescencia de Rayos-X (XRF) sirve de anfitriona para uno de estos espacios de comunes. La idea es bien sencilla y consiste en iluminar de manera muy local (apenas un círculo de un milímetro de diámetro) con una fuente de rayos-X un determinado pigmento de una obra de arte, y analizar el espectro de emisión que se genera. De esta forma seremos capaces de obtener información sobre la composición elemental de los pigmentos usados por el artista.

Lo que ocurre a nivel atómico es que la fuente de rayos-X, al interaccionar con los átomos de los que está compuesto el pigmento, genera vacantes en las capas internas de la estructura electrónica que son inmediatamente ocupadas por otros electrones de capas más externas del átomo. Estos electrones que decaen de capas más externas (más energéticas) a capas más internas (menos energéticas) se ven “forzados” a liberar el exceso de energía que poseen en forma también de rayos-X. Al ser la estructura electrónica una característica singular de cada átomo, el espectro de energías de radiación emitida por cada uno de ellos es como una huella dactilar que nos sirve para diferenciarlos.

Fluorescencia de rayos-X
Fluorescencia de rayos-X

Las aplicaciones de una técnica no destructiva como XRF son enormes: desde determinar autorías de obras de arte, ya que la paleta de colores era algo muy personal de cada artista, a evitar y/o prevenir los procesos de degradación naturales de los pigmentos, pasando por ofrecer información muy relevante para los restauradores.

Medidas de XRF sobre la Mona Lisa, museo del Louvre 2010 V.A. Solé/ESRF.
Medidas de XRF sobre la Mona Lisa, museo del Louvre 2010 V.A. Solé/ESRF.

Sin embargo XRF presenta algunas limitaciones relacionadas principalmente con la dificultad de interpretación de los espectros obtenidos. Imaginemos que apuntamos nuestros aparatos a una región de la obra con un pigmento rojo. Si tenemos en cuenta que los rayos-X de 100 keV (energía típica de los equipos de XRF) penetran unos 12 cm en un material con una densidad similar a la de las pinturas al óleo, la señal de fluorescencia que vamos a obtener no es solo la del pigmento rojo, sino que  tendremos una suma de la emisión de todas las capas de pinturas que subyacen por debajo del rojo. Dicho de otra forma, usando XRF no podemos acceder a una información superficial de la obra. Por poner un ejemplo, antiguamente era habitual dar un par de capas de blanco de plomo (PbCO3)2·Pb(OH)2 a los lienzos antes de empezar la obra. Por tanto siempre tendremos una señal de fondo de Pb bastante intensa, que puede enmascarar otras señales mucho más débiles.

Una posible solución a esta dificultad es el uso de una fuente de rayos-X generados por láser. Este tipo de fuentes tiene la ventaja de que no solo emite rayos-X, sino que de forma simultánea se emiten electrones de alta energía. En esta entrada del blog Desayuno con fotones, podéis encontrar una descripción más detallada de la fuente.

Montaje Experimental: (a) objetivo de microscopio (b) blanco de cobre (c) colimador (d) imanes deflectores (e) muestra (f) colimador (g) espectrómetro
Montaje Experimental: (a) objetivo de microscopio (b) blanco de cobre (c) colimador (d) imanes deflectores (e) muestra (f) colimador (g) espectrómetro

Como los electrones tienen una penetración mucho menor que los rayos-X, (electrones de 60 keV penetran solo 50 mm en el óleo), éstos utilizados como fuente de excitación para XRF nos proporcionan la información superficial que es muy difícil de obtener usando rayos-X.

Espectro de XRF utilizando electrones y rayos-X como fuente de excitación. Espectros de referencias de los pigmentos y del papel de acuarela usado como soporte.
Espectro de XRF utilizando electrones y rayos-X como fuente de excitación. Espectros de referencias de los pigmentos y del papel de acuarela usado como soporte.

En la figura superior, a la izquierda, podemos ver un espectro de XRF de un pigmento verde (verde esmeralda) y del mismo verde sobre un pigmento azul (azul cerúleo) cuando son excitados con rayos-X y electrones de forma independiente. Aparte de los múltiples picos provenientes de los pigmentos, del setup experimental y del papel de acuarela sobre el que depositamos los pigmentos, a una energía de 4.5 keV y 4.9 keV podemos ver las líneas Ka y Kb del titanio.

El titanio se utiliza como blanqueante (blanco de titanio) en la industria de los pigmentos en la forma de dióxido de titanio (TiO2).  Si comparamos el espectro de la izquierda con los espectros de referencia de la derecha podemos inmediatamente concluir que la señal de Ti que se observa al excitar con rayos-X verde sobre azul tiene su origen en la alta penetración de los rayos-X en el óleo excitándose tanto la capa superior como la inferior de la pintura. Sin embargo, cuando la fuente de excitación son los electrones, esta señal desaparece completamente, haciéndose mucho más fácil la interpretación de los ya de por sí complejos espectros de XRF.

Este artículo nos lo envía Álvaro Peralta, doctor en Física por la Universidad de Kaiserslautern (Alemania) especializado en interacción láser-materia. Tras una ruta por diversos laboratorios -Kaiserslautern interacción coherente, Creta física de atosegundos, y Bilbao femtoquímica- , actualmente trabaja en el Centro de Láseres Pulsados de Salamanca donde explora la aplicación de la tecnología láser a distintos campos de conocimiento tanto científicos como industriales. La divulgación es una auditoría pública del trabajo científico.

Los resultados han sido publicados recientemente en (arxiv): Laser-based X-ray and electron source for X-ray fluorescence studies, Valle, A. Crego, L. Roso, and A. Peralta Conde, Appl. Phys. B (2016) 122:220, siendo una “prueba de concepto” de las muchas y diversas aplicaciones que este tipo de fuentes generadas por láser pueden ofrecer.

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