Antenas que multiplican la luminosidad
Es un dispositivo óptico con el potencial de detectar e identificar una molécula única en una muestra, mediante técnicas de microscopía y espectroscopía. Fue desarrollado por científicos argentinos e ingleses. Podría tener aplicaciones en medicina y en la industria.
Nanoantenas en silicio.
Tanto en la medicina como en la industria se requieren métodos e instrumentos capaces de identificar con precisión sustancias en muy pequeñas cantidades, por ejemplo para diagnosticar una enfermedad. Para estos fines resulta útil un nuevo dispositivo óptico que podría operar como sensor ultrasensible para detectar una molécula única de una sustancia, por ejemplo, en una muestra de sangre.
Los sensores ópticos aprovechan la interacción entre la luz y la materia para identificar las propiedades de esta última. En algunos casos, para poder caracterizar o detectar entidades muy pequeñas, del tamaño de una molécula, se requiere que la luz tenga una gran intensidad.
Andrea Bragas. Foto: Exactas-Comunicación.
El nuevo dispositivo, una nanoantena de silicio que puede multiplicar la intensidad lumínica proveniente de una molécula unas mil veces sin incrementar apreciablemente la temperatura, es el resultado del trabajo conjunto de investigadores del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA y del Imperial College de Londres.
“Es la confirmación experimental de un desarrollo que estaba previsto desde el punto de vista teórico”, afirma Andrea Bragas, directora del Laboratorio de Electrónica Cuántica de Exactas UBA.
Y prosigue: “Con esa luminosidad uno podría detectar la señal de una sola molécula de una proteína presente en una muestra de sangre, por ejemplo, que permitiría saber si una persona sufre una cardiopatía”.
El dispositivo funciona de manera similar a una antena de radio, capaz de emitir o recibir ondas electromagnéticas. Una diferencia entre una antena de radio y una antena óptica está dada por la longitud de las ondas. Las de radio van de los centímetros a los metros. En cambio, las ondas de luz visible tienen una longitud inferior al medio micrón, por ello las antenas tienen que poseer un tamaño tan pequeño, en el orden de los 400 nanómetros.
Del metal al silicio
Las técnicas de intensificación lumínica en espectroscopía se vienen empleando desde hace más de diez años. Las pequeñísimas antenas más comúnmente utilizadas son de metal, por ejemplo, de oro. Pero tienen un inconveniente: la concentración de la luz en un volumen muy pequeño lleva aparejada una alta absorción, que a su vez produce el calentamiento del metal y de su entorno, afectando la muestra que se quiere analizar. “Hace unos dos años se postuló que si la antena se fabricaba en un material no metálico, por ejemplo, silicio, se podría evitar ese problema”, indica Bragas.
En ese momento, diversos grupos de investigación en el mundo se pusieron a trabajar para corroborar esa predicción. El equipo que lidera Bragas y el que dirige Stefan Maier, director del Laboratorio Blackett, del Imperial College de Londres, lograron llegar a la meta antes que los demás.
El grupo de Maier, líder en nanotecnología, desarrolló la pequeña antena; y los experimentos para corroborar la eficiencia de la antena fueron realizados por Martín Caldarola, que realizó su tesis doctoral en Exactas UBA bajo la dirección de Bragas, y es primer autor del trabajo que se publica en Nature Communications.
“Hicimos las mediciones en nuestro laboratorio, y determinamos que la luz se intensifica y la antena no se recalienta”, relata Bragas, y asegura: “Al medir cuánto calentaban unas antenas en comparación con las otras, determinamos que la de silicio calienta unas diez veces menos que la metálica”.
Comunicación mediante luz
Uno de los campos de aplicación de estas antenas es la nanofotónica, que es el estudio de las interacciones entre la materia y la luz en la escala de los nanómetros, en especial en el área de las comunicaciones.
Martín Caldarola. Foto: Exactas-Comunicación.
“Una de las grandes ideas detrás de estos desarrollos es la posibilidad de transmitir información por un sistema totalmente óptico”, adelanta Bragas. Los sistemas empleados actualmente requieren la conversión de luz en señales eléctricas y viceversa: señales eléctricas en luz. Por ello se busca poder convertir luz en luz y, por ejemplo, lograr cambiar el color y la dirección, lo cual sería posible con estas antenas, sin destruir el dispositivo por efecto del calentamiento.
Cabe destacar que la clave de la antena no metálica reside en el material en sí, pero también en la forma en que está estructurada, mediante nanotecnología. El dispositivo utilizado en este trabajo consiste en dos discos de silicio, de unos 200 nanómetros de diámetro, separados por una brecha de 20 nanómetros. “Producir estos discos con una brecha controlada de 20 nanómetros es difícil, y en ello consiste la innovación en la fabricación del dispositivo: lograr una brecha tan pequeña”.
Las antenas no metálicas intensifican la luz por un proceso físico diferente del que se produce con el metal. El inconveniente que aún presentan es que no alcanzan la intensidad de luz que se consigue con las antenas metálicas. No obstante, se están estudiando posibles modificaciones con el fin de lograr una mayor concentración de luz.
“El desarrollo de estas antenas es un desafío tecnológico. El grupo de Maier pudo fabricarla, y nosotros, realizar las mediciones en nuestro laboratorio, donde tenemos los equipos para hacerlo. La idea ahora es continuar diseñando antenas más eficientes y avanzar hacia la detección de moléculas específicas. Esto recién empieza”, concluye Bragas.
