SUPLEMENTO DE INNOVACIÓN, TECNOLOGÍA E INVESTIGACIÓN DEL SEMANARIO PUNTOEDU

EL GRUPO DE ÓPTICA APLICADA DE LA PUCP UTILIZA UN LÁSER DE ALTA POTENCIA PARA IDENTIFICAR LOS COMPONENTES QUÍMICOS DE SUELOS Y CONOCER SU CALIDAD, ALGO ESPECIALMENTE ÚTIL EN LA AGRICULTURA.

PRECISIÓN

LÁSER

AÑO 7 ● N° 79 ● MAYO 2015

FOTO: GOA

| MAYO 2015 |

2

La investigación detallada en esta oportunidad está basada

en una aplicación de la técnica de espectroscopia de emisión de plasma inducido por láser, LIBS (Laser-induced breakdown

spectroscopy), que presentamos en el número 25 de NEO. A través de ella, el GOA busca identifi car los elementos químicos presentes en suelos para conocer, por ejemplo, su fertilidad. Establecer,

fi nalmente, un protocolo de medición para determinar la calidad de los suelos puede ayudar a defi nir, entre otros, el mejoramiento de la productividad en el sector agrícola. ✜

APLICACIÓN LIBS

EL GRUPO DE ÓPTICA APLICADA DETERMINA LA PRESENCIA DE CARBONO Y OTROS ELEMENTOS EN SUELOS A TRAVÉS DE LA ESPECTROSCOPIA DE PLASMA INDUCIDO POR LÁSER. AHORA, CON LA MISMA HERRAMIENTA, TRABAJA EN CUANTIFICARLOS.

» Escribe ISRAEL GUZMÁN

Entre 10,000 y 12,000 kelvin. Esa es la tempe-ratura que alcanza, du-rante 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 solda-dura tradicional de metales varía entre 700 K y 1,200 K, y la superfi -cie 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 superfi cie solar, para analizar qué elementos están presentes en diversas muestras de suelos. ¿Cómo es capaz de pro-ducir tal temperatura? ¿Para qué sirve? Y a todo esto, ¿qué es el plas-ma? Para entenderlo conversamos con el Mg. Rubén Sánchez, miem-bro 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

EDI TORIAL

plasma inducido por láser (LIBS, por sus siglas en inglés). Suena complicado, pero no lo es tanto.

“Imagina que te dan un rega-lo 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 soni-do”, continúa. Un tintineo agudo podría delatar objetos de vidrio, mientras que un golpe sordo indicaría algo macizo y sólido. “Algo similar ocurre en la espec-

|COnTinÚa en la página 4 ➤|

DE LUZDE LUZGolpes EL GRUPO DE

ÓPTICA APLICADA DE LA PUCP CUENTA CON UN SISTEMA ÓPTICO DE ESPECTROSCOPIA DE PLASMA INDUCIDA POR LÁSER.

| PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ |

3

SUMA RIO

ENTREVISTA 4-5Mg. Guillermo Baldwin

INFOGRAFÍA 6-7LIBS en acción

EL EQUIPO 9Grupo de Óptica Aplicada

EN CONTEXTO 10Láser en el planeta rojo

LIBROS 11Espectroscopia aplicada

EN VOZ ALTA 12Mg. Rubén Sánchez

ALONSO CHERO

EN CONTEXTOLáser en el planeta rojo

LIBROSEspectroscopia aplicada

EN VOZ ALTA Mg. Rubén Sánchez

| MAYO 2015 |

4

troscopia: 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 ge-nera un plasma con un patrón de luz característico a cada elemen-to que podría componer la mues-tra analizada.

ÓPTICA APLICADAEl Grupo de Óptica Aplicada na-ció en 1993 como un espacio para compartir las investigaciones en óptica de la recién creada Maestría en Física Aplicada y desarrollar lí-neas de trabajo concretas. Se em-pezó con labores de manufactura óptica para luego poner en prác-tica técnicas de interferometría, usadas en astronomía para combi-nar la luz proveniente de diferen-tes 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 con-vención Spectra 2005, que se de-sarrolló en la PUCP con el apoyo del Consejo Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación Tecnoló-gica (Concytec); pues generó una

eneee

Mg. Guillermo Baldwin, coordinador del Grupo de Óptica Aplicada

ENTREVISTA

¿Cómo surgió el Grupo de Óptica Aplicada (GOA)?Primero organizamos el La-

boratorio de Óptica con una mesa óptica de arena para realizar holo-gramas y luego, con una máquina pulidora de esféricas, iniciamos un taller óptico. En 1993 se orga-nizó la Maestría en Física Aplicada (MFA) con una mención en Óptica y, con sus estudiantes y graduados, realizamos nuestros primeros tra-bajos. Estudiamos metrología y di-seño óptico, procesamiento digital de imágenes, manufactura de óp-tica de precisión y holografía. Lue-go incorporamos la espectroscopia con cooperación francesa.

¿Qué aplicaciones prácticas han trabajado?Además de la espectroscopia LIBS, trabajamos en micrometrología óptica, que sirve para medir obje-tos o desplazamientos muy peque-ños. También desarrollamos tec-nologías ópticas y fotónicas. Con ellas, desarrollamos prototipos de instrumentos que combinan estos campos, como un telescopio reflec-tor, un espectrómetro visible tipo Czerny-Turner cruzado, y rugosí-metros y perfilómetros ópticos.

¿Qué industrias se pueden bene-ficiar de estas tecnologías?La metrología utiliza mucho los láseres para realizar control de calidad de superficies, elementos y sistemas ópticos, pero también se aplica en industrias que no ne-cesariamente están en lo que uno piensa que es la vanguardia de la tecnología. Una granja producto-ra de huevos, por ejemplo, utiliza metrología a nivel macro para se-parar los huevos por su tamaño.

¿La industria peruana fabrica alguno de estos equipos?No, la mayoría son importados. Este campo está en sus inicios en el país y la PUCP lleva el liderazgo.

GUILLERMO

BALDWIN es

magíster en

Ciencias con

mención en

Óptica por la

Universidad de

Guanajuato,

México.

Además de ser

coordinador

del GOA, dirige

la Maestría en

Física Aplicada

de la PUCP.

LaFicha

Desarrollamos un prototipo de telescopio que esperamos replicar para promover la observación lunar en los colegios".

100MICRAS ES EL TAMAÑO DEL CRÁTER QUE DEJA EL LÁSER EMPLEADO POR EL GOA SOBRE LA MUESTRA IMPACTADA. EQUIVALE A LA DÉCIMA PARTE DE UN MILÍMETRO.

LaCifra

“QUEREMOS PRESENTAR

TECNOLOGÍA NUEVA A LAS INDUSTRIAS”

|➤Viene de la página 2|

| PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ |

5

eneee

La Universidad no es una fábrica, pero sí podemos desarrollar pro-totipos y enseñar su fabricación a las industrias nacionales. Estamos acostumbrados a que el industrial no haga uso de la academia y com-pre tecnologías de una forma rá-pida, pero en países desarrollados hay transferencia de tecnologías de la academia a la industria. Creo que es cuestión de mostrar resulta-dos. Normalmente, la universidad ha ido detrás de las industrias, pero nosotros estamos haciendo lo inverso. Queremos adelantarnos y presentar tecnología nueva, como en los países desarrollados.

¿Diría que el interés en la física y óptica aplicada ha crecido?Lamentablemente, los ingenieros guardan cierta distancia de la físi-ca. La física aplicada es como una ingeniería fina y está más cerca de otros campos que de la física pura. Por ello, estudiamos la forma de dar más visibilidad a cuatro cam-pos fuertes: láseres; antenas, ra-dares y teledetección; ingeniería acústica; e ingeniería óptica. En retrospectiva, ¿cuánto se ha avanzado en estos 22 años?Hace casi 25 años pasé un año en el Instituto Tecnológico de Tokio.

PARA BALDWIN, LA INDUSTRIA PERUANA DEBERÍA BENEFICIARSE MÁS DE LAS INVESTIGACIONES Y TRABAJOS DESARROLLADOS EN LAS UNIVERSIDADES DE NUESTRO PAÍS.

Visité compañías y universida-des en las que encontré tecno-logía intermedia en óptica y fo-tónica. Esos son los laboratorios que ahora tenemos. Nuestro Taller de Óptica de Precisión, junto al Laboratorio de Películas Delgadas Ópticas y el Laborato-rio de Interferometría, maneja capacidad única en su género en el país. Hemos desarrollado un prototipo de telescopio he-cho íntegramente en la PUCP. Esperamos replicarlo para pro-mover la observación lunar en los colegios del país y motivar la inclinación a las ciencias. ✜

VÍCTOR ZEA

| MAYO 2015 |

6

plataforma de comunicación para jóvenes investigadores con más de 40 científi cos extranjeros y casi 100 estudiantes nacionales. “Entonces hubo un taller sobre técnicas de espectroscopia y na-ció el interés de trabajar con nue-vos 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, licen-ciado en Física por la UNI, se espe-cializaba en espectroscopia láser. Llevó la Maestría en Física Aplica-da 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 siste-ma óptico de espectroscopia de plasma inducida por láser. Como parte del GOA, trabajó pruebas exitosas sobre restos arqueoló-gicos metálicos, como máscaras funerarias estudiadas por el Pro-grama Arqueológico San José de Moro, para determinar qué me-

El GOA analiza 10 muestras de tierra extraídas de una profundidad de 30 cm. Se secaron y molieron para que fueran uniformes.

ElDato

|COnTinÚa en la página 8 ➤|

|➤Viene de la página 4|

INFOGRAFÍA

LA ESPECTROSCOPIA DE PLASMA INDUCIDA POR LÁSER (LIBS)

tales las componían. Pero hoy se enfrentan a un reto mayor.

CALIDAD DE SUELOSUno de los principales problemas al momento de decidir la siembra de un cultivo es determinar si el suelo es fértil o no. “Es muy im-portante encontrar carbono en el suelo para, según su cantidad y la presencia de otros elementos, saber su grado de fertilidad”, ex-plica Sánchez. Pero este proyecto se convirtió también en un nuevo reto a nivel técnico. El GOA ya ha-

LOS COLORES OBTENIDOS DURANTE LA INTERACCIÓN ENTRE EL LÁSER Y LAS MUESTRAS ANALIZADAS REPRESENTAN ELEMENTOS DE LA TABLA PERIÓDICA.

El equipo de espectroscopia LIBS de nuestra Universidad ha probado su capacidad para reconocer la composición elemental de cualquier muestra. El desafío ahora es encontrar una correlación para identifi car, por ejemplo, la cantidad de carbono en suelos agrícolas.

Las muestras de suelos fueron extraídas por miembros de la Universidad Agraria La Molina, quienes se encargaron de su secado y molido. Estas fueron compactadas en la PUCP para su posterior análisis.

ALONSO CHERO

1

TIERRAS AGRÍCOLAS

EL PROCESO ASEGURA LA HOMOGENEIDAD DE

LA MUESTRA

TIERRAS AGRÍCOLAS

EL PROCESO ASEGURA LA HOMOGENEIDAD DE

LA MUESTRA

| PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ |

7

LA ESPECTROSCOPIA DE PLASMA INDUCIDA POR LÁSER (LIBS)

INFOGRAFÍA: LUIS AMEZ / FOTO: GOA

El equipo de espectroscopia LIBS de nuestra Universidad ha probado su capacidad para reconocer la composición elemental de cualquier muestra. El desafío ahora es encontrar una correlación para identifi car, por ejemplo, la cantidad de carbono en suelos agrícolas.

Las muestras de suelos fueron extraídas por miembros de la Universidad Agraria La Molina, quienes se encargaron de su secado y molido. Estas fueron compactadas en la PUCP para su posterior análisis.

El láser impacta sobre la muestra durante 9 nanosegundos y genera plasma, el cual es eyectado y registrado por una cámara que lleva información al espectrómetro.

El espectrómetro distingue las longitudes de onda en la luz emitida por el plasma y la computadora las relaciona con un elemento de la tabla periódica. De esta forma, se determinan los componentes de la muestra.

2 3

EL PROCESO ASEGURA LA HOMOGENEIDAD DE

LA MUESTRA

LÁSER CÁMARA

ESPECTÓMETRO

EQUIPO DE CÓMPUTO

EL PROCESO ASEGURA LA HOMOGENEIDAD DE

LA MUESTRA

LÁSER CÁMARA

ESPECTÓMETRO

EQUIPO DE CÓMPUTO

La potencia con la que incide el láser sobre la muestra

equivale a prender un millón de focos incandescentes de

100 W a un metro de distancia de esta. El plasma generado

se disipa rápidamente.

LUZ LÁSER

LENTE

10 GW/cm2

PLASMA

| MAYO 2015 |

8

bía demostrado su capacidad para identificar los elementos que com-ponen una muestra, pero ahora debían intentar medir qué canti-dad de estos se encontraban pre-sentes para diferenciar su calidad. El objetivo final de emplear esta información es establecer un pro-tocolo 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 Universi-dad Nacional Agraria la Molina (Unalm), la cual nos brinda las muestras de suelos que nosotros compactamos (en pastillas) para facilitar su análisis”, explica Sán-chez. Estas son muestras de con-trol ya examinadas con métodos tradicionales, pues se busca pre-sentar una alternativa que detec-te el carbono en un tiempo me-nor al convencional para que así, una vez validada la metodología, se trabaje sobre suelos distintos y nuevos.

tivo. 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 microse-gundos) y su reducida masa (que no supera el orden de los nanogra-mos) 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 representa-da por cada color y relacionada, gracias a un software, con algún elemento de la tabla periódica.

Para medir la cantidad de car-bono presente en las muestras, el Bach. Heyner Vílchez, integrante del GOA y estudiante de la Maes-tría en Física Aplicada, realizó una estancia en la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), la cual cuenta con equi-pos capaces de cuantificar el car-bono y otros elementos presentes en las muestras de tierra agrícola peruana. “Vílchez encontró una relación entre la concentración de carbono y una técnica tradi-cional para calibrar el equipo de nuestro laboratorio”, cuenta Sán-chez. “Lo que buscamos ahora es poder verificarla con la imple-mentación de una metodología que nos dé una mejor representa-ción de su concentración”, señala. A la par, Sánchez trabaja la técni-ca LIBS a través del Doctorado en Física que lleva en nuestra Uni-versidad, aplicándola sobre restos arqueológicos metálicos de una manera exhaustiva y cuantitativa. Como toda innovación, apunta también a hacer una versión co-mercial de este equipo y que los incentivos para la investigación sean mayores. Que así sea. ✜

LIBSTodos 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 aumentá-semos 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 plas-ma”, agrega. Y aunque sus dispa-ros duran solo nueve nanosegun-dos, 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 protec-ción es siempre importante”, aña-de 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 colec-

LA TIERRA ANALIZADA FUE COMPACTADA EN ‘PASTILLAS’ PARA FACILITAR EL TRABAJO CON EL LÁSER.

|➤Viene de la página 6|

1 kmES LA DISTAN-CIA MÁXIMA EN LA QUE SE PODRÍA APLICAR LA TÉCNICA LIBS. INCLUSO, SE PUEDE UTI-LIZAR PARA DETECTAR EXPLOSIVOS.

LaCifra

ALONSO CHERO

| PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ |

9

ELEQUIPO

EL GRUPO DE ÓPTICA APLICADA (GOA) fue

creado en

1993 con el

objetivo de

orientar la

investigación

y desarrollo

de tecnologías

ópticas en

procesos

aplicados al

desarrollo

nacional.

Trabaja en

coordinación

con la

Maestría

en Física

Aplicada.

MG. FRANCISCO GÁLVEZ

"Soy responsable del Laboratorio de Películas Delgadas, donde, entre otras cosas, diseñamos recubrimientos ópticos, elaboramos películas delgadas al vacío y determinamos sus características".

MG. FRANCO GONZALES

"Mi trabajo se orienta al diseño y manufactura óptica. Ya desarrollamos un telescopio y estamos fabricando elementos para implementar un binocular".

MG. MIGUEL ASMAD

"En metrología, aplicamos luz láser para realizar pruebas ópticas. Hacemos reconstrucciones de objetos en 3D para controlar que los lentes y prismas que fabricamos sean de óptima calidad".

LIC. ARANSELLY QUIROZ

"Mi tesis para la Maestría en Física por la PUCP consiste en el diseño e implementación de un equipo de espectroscopia Raman, que servirá para detectar contaminantes orgánicos en el agua".

Hice una estan-cia en la Univer-

sidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en la que analicé muestras de tierras peruanas para determinar la cantidad de carbono presente en ellas. Su equipamiento me permitió seleccionar el mejor momento para cuantifi car el plasma".

BACH. HEYNER VÍLCHEZ

ALONSO CHERO

| MAYO 2015 |

10

ENCONTEXTO

6,144CANALES TIENEN LOS TRES ESPECTÓMETROS DE LA CHEMCAM. ESTOS RECOGEN ONDAS DE ENTRE 240 Y 800 NM DE AMPLITUD.

El proyecto Mars 2020 de la NASA trabaja para llevar una nueva versión de la ChemCam, capaz de detectar compuestos orgánicos, con la espectroscopia Raman, en la superficie del planeta rojo.

8 añosDE TRABAJO CONJUNTO LES TOMÓ A LOS ALAMOS NATIONAL LABORATORY (EE.UU.) Y AL CESR (FRANCIA) EL DESARROLLO DE LA CHEMCAM.

El vehículo Curiosity, que investiga la superficie de Marte, utiliza la misma técnica de espectrometría que emplea el Grupo de Óptica Aplicada para buscar indicadores de vida.

Exploración espacial

Desde que el vehículo ex-plorador Curiosity pisó suelo marciano, el 6 de agosto del 2012, ha dis-

parado su láser más de 150 mil veces a más de 600 objetivos dis-tintos para analizar la composi-ción de la superficie rocosa de Marte. De la misma manera que en los laboratorios de la PUCP, este láser es usado para inducir

la expulsión de plasma para ser analizada por un espectrosco-pio. La diferencia es que, debido a la baja presión en Marte, este se expande y brilla más que en la Tierra (su destello fue captado por la cámara regular del Curio-sity). El sistema de espectrome-tría, denominado ChemCam, está montado en el mástil prin-cipal del vehículo y puede dispa-

rar a una distancia aproximada de 10 metros. La primera roca analizada en Marte, Coronation, recibió 30 pulsos de láser en 10 segundos y reveló un contenido similar al de rocas volcánicas. Los hallazgos del Curiosity con-firman que hace millones de años se dieron condiciones que habrían permitido la vida en el planeta rojo. ✜

NASA

| PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ |

11

LIBROS

Este libro está dirigido a los

estudiantes de pregrado y otras personas interesadas en la espectroscopia. Presenta, de manera didáctica, la teoría y conceptos básicos necesarios sobre el tema, sin asumir conocimientos previos específi cos, y guía al lector hasta presentarle las principales técnicas y aplicaciones a través del estudio de casos. Se concentra en explicar esta ciencia como concepto, más que con formalismos o fórmulas matemáticas.

Se enfoca en la imagen digital y la espectroscopia. Muestra, de manera integrada, una visión de las herramientas de análisis óptico y matemático necesarias para entender el diseño de un sistema óptico computacional.

Optical imaging and spectroscopyDavid Jones BradyWiley, 2008

Tesis de Maestría en Física Aplicada que describe el proceso para poner en funcionamiento el sistema LIBS implementado en nuestra Universidad.

Desarrollo e implementación de un sistema de espectroscopia...Sánchez Alcántara y Eder Rubén Lima, 2010

Laser chemistry: spectroscopy, dynamics and applicationsHelmet H. Telle, Ángel González Ureña y Robert J. DonovanJohn Wiley and Sons, 2007

ENLAWEB

SOCIEDAD ESPAÑOLA DE ÓPTICAhttp://www.sedoptica.es/

SPECTROSCOPYhttp://www.spectroscopyonline.com/

Publicada en formato físico desde 1985, la revista Spectroscopy promueve y apoya el uso

de la instrumentación espectroscópica en inves-tigaciones aplicadas, pruebas medioambienta-les, control de calidad y ciencias de la vida. Su versión en línea tiene 135 artículos académicos de libro acceso sobre espectroscopia de plasma inducida por láser.

La página electrónica de la Sociedad Española de Óptica brinda libre acceso a su revista Óptica

Pura y Aplicada, la cual publica artículos originales de manera trimestral. Todos los trabajos difundi-dos son revisados por dos o más especialistas en el tema con el fi n de asegurar su calidad. Muchos de ellos pueden leerse en español.

Todas las publicaciones pueden hallarse a través del Sistema de Bibliotecas de la PUCP.

| MAYO 2015 |

12

La espectroscopia hace interactuar un material con la luz para identificar los componentes que lo conforman.

ENVOZALTA

RUBÉN SÁNCHEZMagíster en Física aplicada

ALONSO CHERO