¿Qué es un microcalorímetro?
Un microcalorímetro es un dispositivo térmico sensible que se usa para medir la energía de partículas individuales o fotones, partículas elementales de luz. Es un tipo de calorímetro: un instrumento que mide el calor liberado por reacciones físicas o químicas en una muestra. Los microcalorímetros se usan en astrofísica para medir la energía de los fotones de rayos X desde el espacio. Un dispositivo relacionado, el microcalorímetro isotérmico, se utiliza en bioquímica y campos relacionados para detectar pequeños cambios de energía a bajas temperaturas.
La ley de conservación de la energía, una ley básica de la física, establece que la energía no se puede crear ni destruir, solo se puede convertir en otras formas. Los microcalorímetros funcionan según este principio. La energía de una interacción física o reacción química se transforma en calor dentro del sistema, y al medir el cambio de calor resultante, se puede deducir la energía de la interacción.
El tipo de microcalorímetro utilizado en astrofísica consta de tres componentes principales: un absorbedor, un disipador de calor y un termistor. Cuando un fotón de rayos X incide en el absorbedor, la energía se transfiere a un electrón en un átomo del material absorbente. Esta energía hace que el electrón se excite: salta más lejos del núcleo atómico y se libera de la órbita. Otros electrones en el absorbedor pueden excitarse en menor grado por este electrón suelto, elevándose a órbitas de mayor energía alrededor de sus respectivos átomos.
Los electrones excitados liberan energía cuando regresan a su estado fundamental, o al estado de energía más bajo, una órbita estable alrededor de los átomos. La energía liberada en este proceso se conserva y se convierte en calor, lo que hace que la temperatura en el absorbedor aumente en una pequeña cantidad. Un dispositivo de termómetro en el absorbedor conocido como termistor detecta este cambio de temperatura. El calor luego fluye hacia el disipador de calor, haciendo que el absorbedor vuelva a su temperatura original. Al medir el cambio de temperatura causado por el impacto de los rayos X, se puede calcular la energía original de los rayos X.
El microcalorímetro isotérmico funciona de la misma manera, aunque se usa para medir interacciones químicas en lugar de energía fotónica. Este dispositivo consta de un disipador de calor y un recipiente de reacción cerrado en el que tiene lugar la reacción química. El disipador de calor asegura que el recipiente de reacción se mantenga a una temperatura constante, lo que permite mediciones exactas. Cuando ocurre la reacción química, una cierta cantidad de energía se libera como calor o se absorbe, causando un cambio de temperatura que es registrado por el microcalorímetro. Los microcalorímetros isotérmicos tienen aplicaciones en la química física, la bioquímica y la industria farmacéutica porque proporcionan una forma muy sensible de analizar el flujo de calor en una reacción.
Los microcalorímetros deben funcionar a bajas temperaturas para que los cambios mínimos de calor que miden puedan registrarse. Por ejemplo, los dispositivos utilizados en astrofísica se mantienen cerca del cero absoluto. A esta temperatura, se puede detectar incluso el pequeño cambio en la energía térmica causado por el impacto de un solo fotón. Los microcalorímetros isotérmicos no son tan extremos, pero aún se mantienen a temperaturas mucho más bajas que los calorímetros a escala macro.