Acelerador de partículas em um chip pode ajudar no tratamento do câncer
Assim como um computador reduziu o tamanho de um andar inteiro na década de 1970 para caber em nossos bolsos — e com muito mais potência, inclusive — nos dias atuais, um acelerador de partículas também pode ser transformado em algo muito menor e mais portátil. Ao menos é o que acreditam e, mais do que isso, demonstram pesquisadores da Universidade de Stanford.
Uma equipe liderada pela engenheira elétrica Jelena Vuckovic conseguiu criar um chip de silício que pode acelerar elétrons e substituir, ao menos para alguns experimentos, o gigantesco SLAC National Accelerator Laboratory, acelerador de mais de 3 km de comprimento e um dos poucos do tipo no mundo. É óbvio que a versão muito reduzida não tem a mesma potência, mas é o suficiente para grande parte dos experimentos.
"Os aceleradores maiores são como telescópios poderosos. São poucos no mundo e cientistas precisam vir a lugares como o SLAC para usá-los", disse Vuckovic. "Queremos reduzir a tecnologia do acelerador a ponto de criar ferramenta de pesquisa mais acessível", explicou.
Esquema do acelerador de partículas em um chip (Imagem: Reprodução/Neil Sapra)
A versão miniaturizada usa laser infravermelho para criar o aumento de energia necessário para levar as micro-ondas em uma espessura menor que um fio de cabelo. Segundo o artigo publicado na revista Science, o chip emite luz infravermelha através de silício para atingir elétrons no momento certo, pelo ângulo exato, acelerando-os. Aqui é bom notar que, para a luz infravermelha, o silício é tão transparente quanto o vidro é para a luz visível ao olho humano,
A ferramenta demonstrada ainda é um protótipo. O design e as técnicas de fabricação, no entanto, podem ser desenvolvidos para criar aceleradores potentes o bastante para experimentos que não exijam o massivo poder de um acelerador gigantesco. E a tecnologia também pode ser aproveitada em outros campos, de acordo com o físico Robert Byer, co-autor do estudo.
"Nesse artigo, começamos a mostrar como pode ser possível entregar radiação de feixe de elétrons diretamente para um tumor, deixando o tecido saudável a salvo", explicou. Ou seja, a tecnologia poderia ajudar, também, no tratamento do câncer. Atualmente, a radioterapia é realizada em salas enormes, onde o paciente fica totalmente exposto à radiação, usando algumas proteções para minimizar efeitos colaterais em áreas do corpo saudáveis.
A ideia para construir o acelerador miniaturizado surgiu do aluno de graduação Neil Sapra. Junto à equipe de Vuckovic, ele pensou no processo de construção de maneira invertida, começando pelo final. Um acelerador tradicional é construído com um design básico, no qual são realizadas simulações até que se alcance a maior aceleração possível.
Acelerador em chip aumentado 25.000 vezes (Imagem: Reprodução/Neil Sapra)
Porém, esses aceleradores usam micro-ondas, em vez de luz infravermelha. Há uma boa diferença no comprimento de onda, sendo que a infravermelha pode ter um décimo da espessura de um fio de cabelo, contra 4 polegadas das microondas, medindo da crista ao vale.
Por isso a luz infravermelha consegue acelerar elétrons a uma distância tão pequena, quando comparado às micro-ondas. Mas, para dar certo, o chip precisa ser 100.000 vezes menor que as estruturas de cobre de um acelerador tradicional. O que exigiu uma nova abordagem na engenharia de fotônica e litografia nos chips de silício.
Para resolver a equação, a equipe de Vuckovic pegou um algoritmo desenvolvido por eles mesmos para fazer os cálculos invertidos, especificando a quantidade de energia eles queriam que o chip entregasse para que o computador dissesse como construir as estruturas em nanoescala para que os fótons entrassem em contato de maneira que gerasse o fluxo de elétrons necessário.
"O design inverso às vezes pode trazer soluções que a engenharia humana poderia não ter pensado", disse R. Joel England, outro co-autor do artigo e membro da equipe do SLAC.
O resultado foi um acelerador miniaturizado que pode funcionar, também, como uma evolução no tratamento do câncer. Olav Solgaard, mais um co-autor do artigo, já pensa em uma maneira de transportar a ideia para criar uma terapia com elétrons energizados, que não se usa atualmente porque poderia queimar a pele.
"Podemos conseguir benefícios médicos da miniaturização da tecnologia do acelerador além das aplicações em experimentos", disse o cientista. Sua ideia é canalizar esses elétrons de um acelerador miniaturizado por um tubo a vácuo parecido com um catéter, a ser inserido por baixo da pele, bem próximo ao tumor, administrando a terapia radioativa cirurgicamente.