Entre 10,000 y 12,000 kelvin. Esa es la temperatura que alcanza, durante su corta vida, la pluma de plasma que genera un láser de alta potencia cuando impacta una de las pastillas de tierra compactada que se analizan en el Laboratorio de Óptica de la PUCP. No es poca cosa. Para muestra, algunas cifras: el agua hierve a 373 K, la soldadura tradicional de metales varía entre 700 K y 1,200 K, y la superficie del sol alcanza los 5,800 K. Sin embargo, en el segundo piso del pabellón de Física, un grupo de investigadores trabaja a diario con este “plasma”, capaz de duplicar la temperatura de la superficie solar, para analizar qué elementos están presentes en diversas muestras de suelos. ¿Cómo es capaz de producir tal temperatura? ¿Para qué sirve? Y a todo esto, ¿qué es el plasma? Para entenderlo conversamos con el Mg. Rubén Sánchez, miembro del Grupo de Óptica Aplicada (GOA), quien dirige el proyecto de implementación de un protocolo que determine la calidad de suelos empleando la espectroscopia de plasma inducido por láser (LIBS, por sus siglas en inglés). Suena complicado, pero no lo es tanto.

“Imagina que te dan un regalo de cumpleaños y, sin abrir la caja, tienes que descubrir qué es”, dice Sánchez. “Lo que uno hace normalmente es agitar el regalo aún envuelto e intenta descubrir qué podría ser a partir del sonido”, continúa. Un tintineo agudo podría delatar objetos de vidrio, mientras que un golpe sordo indicaría algo macizo y sólido. “Algo similar ocurre en la espectroscopia: se hace interactuar un material con la luz y obtienes como respuesta un conjunto de colores que puedes leer según una base de datos para identificar los elementos que lo componen”, sintetiza. En este caso, el láser genera un plasma con un patrón de luz característico a cada elemento que podría componer la muestra analizada.

Óptica aplicada

El Grupo de Óptica Aplicada nació en 1993 como un espacio para compartir las investigaciones en óptica de la recién creada Maestría en Física y desarrollar líneas de trabajo concretas. Se empezó con labores de manufactura óptica para luego poner en práctica técnicas de interferometría, usadas en astronomía para combinar la luz proveniente de diferentes receptores, como telescopios o antenas de radio, para obtener imágenes de mayor resolución. Años después, el grupo empezó a experimentar con láseres.

Un hito importante fue la convención Spectra 2005, que se desarrolló en la PUCP con el apoyo del Consejo Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación Tecnológica (Concytec); pues generó una plataforma de comunicación para jóvenes investigadores con más de 40 científicos extranjeros y casi 100 estudiantes nacionales. “Entonces hubo un taller sobre técnicas de espectroscopia y nació el interés de trabajar con nuevos equipos”, recuerda Sánchez. La PUCP recibió como donación un láser Nd-YAG, con el cual se empezó a experimentar con la técnica LIBS.

Para entonces Sánchez, licenciado en Física por la UNI, se especializaba en espectroscopia láser. Llevó la Maestría en Física Aplicada en la PUCP y su tesis, llevada a cabo entre el 2007 y 2009 con el apoyo de la Dirección de Gestión de la Investigación (DGI), consistió en la implementación de un sistema óptico de espectroscopia de plasma inducida por láser. Como parte del GOA, trabajó pruebas exitosas sobre restos arqueológicos metálicos, como máscaras funerarias estudiadas por el Programa Arqueológico San José de Moro, para determinar qué metales las componían. Pero hoy se enfrentan a un reto mayor.

 El Grupo de Óptica Aplicada de la PUCP cuenta con un sistema óptico de espectroscopia de plasma inducida por láser.

Calidad de suelos

Uno de los principales problemas al momento de decidir la siembra de un cultivo es determinar si el suelo es fértil o no. “Es muy importante encontrar carbono en el suelo para, según su cantidad y la presencia de otros elementos, saber su grado de fertilidad”, explica Sánchez. Pero este proyecto se convirtió también en un nuevo reto a nivel técnico. El GOA ya había demostrado su capacidad para identificar los elementos que componen una muestra, pero ahora debían intentar medir qué cantidad de estos se encontraban presentes para diferenciar su calidad. El objetivo final de emplear esta información es establecer un protocolo de medición que permita fijar la calidad de los suelos según su origen (forestal, agrícola, etc.).

“Decidimos desarrollar un proyecto para la aplicación de la técnica LIBS junto a la Universidad Nacional Agraria la Molina (Unalm), la cual nos brinda las muestras de suelos que nosotros compactamos (en pastillas) para facilitar su análisis”, explica Sánchez. Estas son muestras de control ya examinadas con métodos tradicionales, pues se busca presentar una alternativa que detecte el carbono en un tiempo menor al convencional para que así, una vez validada la metodología, se trabaje sobre suelos distintos y nuevos.

¿Qué es LIBS?

Todos hemos visto alguna vez la luz de un puntero láser, que, por definición, viaja en una misma dirección y se concentra sobre un área reducida. “Si aumentásemos su energía, calentaríamos la superficie, y luego llegaríamos al punto de fusión y soldadura”, explica Sánchez. “Si aumentamos aún más la energía que aplicamos sobre una superficie, va a eyectar materia. Luego, se genera plasma”, agrega. Y aunque sus disparos duran solo nueve nanosegundos, la luz láser utilizada en el Laboratorio de Óptica es de clase 4, la que más energía concentra: “Si te cae directamente a los ojos, te quedas ciego, así que la protección es siempre importante”, añade mientras se coloca los lentes de seguridad.

El plasma es el cuarto estado de la materia, fluido como el gas, pero con distintas propiedades. Conformado por iones, moléculas y otras especies neutras, tiene un comportamiento uniforme y colectivo. Este plasma es el que alcanza temperaturas de entre 10,000 K y 12,000 K, pero su corto tiempo de vida (en el orden de los microsegundos) y su reducida masa (que no supera el orden de los nanogramos) facilitan su manipulación.

“Nosotros recogemos con un espectrómetro la luz que viene del plasma generado y así podemos identificar los colores que están presentes en él”, explica Sánchez mientras muestra los resultados que obtiene en la computadora: el espectro de emisión atómica, una gráfica que indica con precisión la longitud de onda representada por cada color y relacionada, gracias a un software, con algún elemento de la tabla periódica.

Para medir la cantidad de carbono presente en las muestras, el Bach. Heyner Vílchez, integrante del GOA y estudiante de la Maestría en Física Aplicada, realizó una estancia en la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), la cual cuenta con equipos capaces de cuantificar el carbono y otros elementos presentes en las muestras de tierra agrícola peruana. “Vílchez encontró una relación entre la concentración de carbono y una técnica tradicional para calibrar el equipo de nuestro laboratorio”, cuenta Sánchez.

“Lo que buscamos ahora es poder verificarla con la implementación de una metodología que nos dé una mejor representación de su concentración”, señala. A la par, Sánchez trabaja la técnica LIBS a través del Doctorado en Física que lleva en nuestra Universidad, aplicándola sobre restos arqueológicos metálicos de una manera exhaustiva y cuantitativa. Como toda innovación, apunta también a hacer una versión comercial de este equipo y que los incentivos para la investigación sean mayores. Que así sea.