Espectrometría: la luz indiscreta

Dr. Josué Ortiz-Medina

El escuchar la palabra «espectro» normalmente nos lleva a imaginar cosas relacionadas con fantasmas y seres sobrenaturales, porque un espectro casi siempre se relaciona con imágenes o apariciones que no pueden verse de manera natural. Sin embargo, en ciencia y tecnología, el uso de la palabra espectro tiene significados más interesantes y, como notarás, nos ayudan a poder ver y saber cosas que de otra manera no podríamos con nuestros ojos.

Para empezar, es necesario poner algo de contexto: la luz es una cosa que a veces es difícil de definir. Si le preguntas a cualquier persona por la calle o a algún familiar en tu casa, probablemente te responda con algo como «pues es lo que nos permite ver las cosas», o «es lo que sale del sol, o de un foco, o de una vela». Pero la luz es algo más; es una forma de energía, y que hasta cierto punto, podemos controlar gracias a tecnologías con una gran historia.

Las primeras personas que intentaron controlar la forma en la que las cosas se veían —y por lo tanto, la forma en la que se mueve la luz— fueron los antiguos egipcios, además de otros pueblos de Mesopotamia [1]. De hecho, la palabra óptica, que utilizamos a cada rato para referirnos, por ejemplo, a las tiendas en donde compramos lentes, viene del griego ὀπτική (optike̅), que tiene que ver con la apariencia, lo visual, o cómo se ven las cosas. Entonces, desde aquellos tiempos, la óptica se dedicó al estudio y, más que nada, a la manipulación de la luz por medio de artefactos como las lentes, para muchas aplicaciones que ahora nos son tan comunes como los microscopios, los telescopios, o de hecho, con una actividad tan normal como el poneros nuestro par de lentes. Sin embargo, a pesar de que desde hace tiempo se diseñaban y hacían lentes, espejos, y otras cosas para aprovechar la luz, en realidad no se entendían los fundamentos sobre lo que «era» la luz. Fue a partir del siglo XVII que científicos como Isaac Newton y Christiaan Huygens empezaron a proponer teorías sobre la naturaleza de la luz y sus propiedades. En resumidas cuentas, lo que los científicos descubrieron es que la luz está compuesta por pequeñas partículas llamadas fotones, que podrías comparar con los átomos que conforman la materia [2]. Pero, la cosa con los fotones (y de hecho con todas las partículas en escalas super pequeñas), es que no siempre parecen partículas normales. A veces, los fotones se comportan como si fuesen ondas; es decir, pequeños paquetes de energía que vibran con determinada velocidad, la cual determina en gran medida cuáles son las propiedades de la luz que conforman.

Para entender esto, es necesario saber que la velocidad con la que una onda vibra se llama frecuencia, y lo que mide es cuántas vibraciones completa en un segundo. El número de vibraciones por segundo es una unidad a la que se le llama «hertz» (y se abrevia Hz). En la figura 1a puedes ver de forma visual el concepto de frecuencia de una onda, en función de c (velocidad de la luz, o sea, 300,000 km/s aproximadamente) y de la longitud de onda (representada por la letra griega lambda λ) medida en metros.

Figura 1. a) Representación visual de una onda, en donde se ven las características de longitud de onda, y de amplitud. b) Espectro de luz visible, en referencia al espectro electromagnético. 

Ahora, ya que sabemos que son los hertz, podemos también entender su relación con la luz, y con las propiedades que esta tiene. Como vimos apenas, la luz puede considerarse como una onda

(en este caso, vibraciones de energía electromagnética), y que su frecuencia determina su color. En la figura 1b puedes observar el llamado espectro visible, que está conformado por todos los colores que el ojo humano puede percibir. Este rango de colores se encuentra delimitado por longitudes de onda desde más o menos de 380 a 750 nanómetros (nm, o una millonésima parte de un metro), que serían equivalentes a frecuencias desde 670 a 480 terahertz, o billones de hertz. De hecho, si te fijas en la figura 1b, verás que frecuencias por fuera de este rango corresponden a otros tipos de radiación que tienen mucha importancia tecnológica, como las microondas (sí, las de los hornos), las ondas de radio usadas en comunicaciones, y los rayos-X, que se usan para sacar radiografías, por ejemplo. Sin embargo, ahora nos enfocamos solamente a las frecuencias que corresponden a la luz que podemos ver.

         ¿Y que tiene que ver esto entonces con los espectros, o espectroscopía? Pues bien, resulta que la luz, al interactuar con los diferentes tipos de materia con la que están hechas todas las demás cosas que nos rodean, puede actuar de maneras que nos revelan mucha información sobre la composición, a niveles atómicos, de las sustancias con las que interactúa. Esto es debido a que los átomos de elementos específicos, así como los enlaces que existen entre ellos en sustancias diversas, pueden absorber momentáneamente fotones de luz. La cosa curiosa es que cada tipo de átomo o de enlace puede interactuar solamente con determinados colores, correspondiente a longitudes de onda en específico. A causa de esto, al analizar la luz que atraviesa o se refleja de determinadas muestras, podemos averiguar muchísimo sobre cómo está formada esa muestra [3]. Básicamente eso es la espectroscopía.

         Ahora, en temas de espectroscopía, hay varios tipos de técnicas, y cada una de ellas es utilizada para averiguar diferentes características de la muestra. Así, por ejemplo, la así llamada espectroscopía infrarroja (IR spectroscopy), utiliza una parte del espectro justo al lado del extremo rojo, con longitudes de onda mayores a 730 nm. La luz infrarroja es invisible para el ojo humano, pero hay muchos animales que sí pueden ver la radiación IR (por ejemplo, algunos tipos de serpientes y de insectos). El punto es que muchos tipos de moléculas orgánicas comunes, al ser iluminadas con luz IR, comienzan a interactuar con sus fotones, absorbiendo aquellos que tienen energías iguales a la energía que tienen ciertas vibraciones o movimientos entre sus átomos. Entonces, lo que un equipo de espectroscopía IR hace, es básicamente comparar qué partes del espectro de luz se absorbieron más que otros por la sustancia, para así poder determinar qué tipo de enlaces tiene la sustancia bajo análisis. El proceso está más o menos explicado en la figura 2a.

         Otro tipo de espectroscopía muy útil también, es la espectroscopía Raman [4], llamada así por el científico indio Chandrasekhara Venkata Raman, que descubrió el fundamento óptico en el que se basa esta técnica. El principio de la espectroscopía Raman es que, al iluminar algunos tipos de muestras con luz monocromática (es decir, luz con una longitud de onda muy específica), ésta interactuará con los electrones y estructura molecular de la muestra, de tal forma que la luz que se refleje de tendrá cierto corrimiento con respecto a la longitud de onda original. Esto será visible como luz de un color ligeramente diferente al que se usó para iluminar la muestra (ver figura 2b). Así, si se usa luz verde (532 nm, por ejemplo) para iluminar la muestra, podrían observarse corrimientos como reflejos verde-amarillentos (corrimiento hacia λ mayores), o verdes-azulados (corrimiento hacia λ menores). Estos corrimientos pueden revelar mucho sobre las propiedades electrónicas de materiales conductores y semiconductores, solo por mencionar una aplicación de ejemplo.

Figura 2. a) Ejemplo de espectro IR, en donde se muestra las regiones de absorción para distintos tipos de vibraciones en moléculas. b) Esquema del principio de operación de la espectroscopía Raman. 

     En resumen, la espectroscopía es un tipo de técnica de análisis por medio de luz, que permite determinar muchas las propiedades físicas y químicas del objeto bajo estudio. Existen varios tipos de espectroscopía basadas en luz, que se usan para estudiar desde objetos diminutos hasta galaxias, pero todas ellas dependen de la interacción de los fotones de luz incidente con la estructura molecular de lo que se esté analizando. De esta forma, la luz nos permite averiguar cosas que no podríamos saber de otras maneras, revelándonos secretos que de otra forma serían inaccesibles.