Nanodetectives de moléculas
Combinando diferentes materiales en la escala nano se logró diseñar una estructura que no sólo permite detectar la presencia de una molécula sino también, como si fuera una lupa, amplificar esa señal, lo que puede habilitar la detección de cantidades mínimas de un compuesto. El dispositivo podría funcionar como un detector ultrasensible de contaminantes o sustancias tóxicas.
La investigación fue publicada en tapa por la revista Journal of Materials Chemistry C.
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Una de las claves de la nanotecnología es el aprovechamiento de las propiedades que presentan los materiales en la escala de lo infinitamente pequeño. Es así, por ejemplo, que el oro, naturalmente dorado, puede verse de color rojo, e incluso azul, cuando la luz interactúa con las pequeñas partículas.
Aprovechando las propiedades de los materiales en la escala nano, y combinando los efectos de cristales que atrapan y concentran la luz de un determinado color (cristales fotónicos), y nanopartículas de plata, un equipo de investigadores liderados por Galo Soler Illia, profesor en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, e investigador del CONICET en la Universidad Nacional de San Martín, diseñó una estructura que puede tener interesantes aplicaciones para la detección de bajas cantidades de contaminantes o compuestos tóxicos en el ambiente.
El dispositivo consiste en capas muy finas de un cristal poroso que, cuando recibe luz de una cierta longitud de onda, puede concentrarla para ser aprovechada por las nanopartículas de plata incluidas en la estructura porosa. Estas partículas metálicas reciben la luz y pueden transferirla a su alrededor. Cuando un compuesto se pega a las nanopartículas, éstas aprovechan la energía concentrada por el cristal y se genera una señal muy clara que alerta sobre la presencia del compuesto en cuestión. De este modo se mejora la detección de moléculas atrapadas en los poros.
Mejorar la acústica
“El desarrollo de este nanosistema es como formar a una buena cantante lírica y, al mismo tiempo, diseñar un teatro con la mejor acústica, para que su voz pueda apreciarse mucho mejor. En nuestro caso,
Galo Soler Illia y María Luz Martínez Ricci.
diseñamos nanopartículas capacitadas para detectar moléculas, pero si las colocamos en una arquitectura adecuada, podrán desempeñar mucho mejor su función”, comenta Soler Illia, y subraya: “Estoy muy orgulloso de este trabajo que acaba de salir en tapa en Journal of Materials Chemistry C”.
Todo comenzó con la tesis de licenciatura en Física de Rodrigo Martínez Gazoni, egresado de ExactasUBA y primer autor del trabajo, que también firman Martín Bellino (CNEA y UNSAM) y María Luz Martínez Ricci, investigadora en el INQUIMAE (ExactasUBA CONICET) y docente del Departamento de Física de esa Facultad. “El objetivo era conjugar cristales fotónicos con nanopartículas metálicas que generan efectos de intensificación de la señal en presencia de una molécula que se quiere detectar”, afirma Martínez Ricci.
Los efectos que se observan en el cristal poroso, denominado cristal fotónico, son similares a los que se producen en algunos elementos de la naturaleza, por ejemplo en piedras como ópalos o en insectos como los escarabajos o las mariposas morpho.
En estas últimas, el color azul característico no se debe a un pigmento, sino a la estructura de las capas de quitina que conforman las alas. La luz, al incidir sobre las pequeñas protuberancias de la estructura que tienen cierta periodicidad, se refleja y refracta dentro de la nanoestructura de manera que algunas longitudes de onda se reflejan completamente en el ala de la mariposa y otras no. Este fenómeno conocido como interferencia da lugar al hermoso color azul iridiscente de la mariposa morpho.
En el caso de los cristales fotónicos porosos que desarrollan los investigadores, éstos consisten en finas capas transparentes apiladas que operan como espejos porosos. “La porosidad agrega una variable de juego muy interesante: el índice de refracción de cada capa resulta una combinación de los índices del aire y del material. Por ejemplo, cuando un líquido ingresa en los poros, aumenta el índice de refracción y se refleja un color diferente. De este modo se puede saber si algún líquido está presente o no”, detalla Soler Illia.
Ahora bien, el nuevo dispositivo combina los cristales fotónicos porosos con nanopartículas metálicas que permiten intensificar la señal, lo que se conoce como efecto plasmónico. “La estructura desarrollada, que es como un espejo, está formada por seis capas transparentes, y solo en las impares colocamos nanopartículas de plata dentro de los poros de la capa. Al hacer incidir una luz, es posible detectar moléculas de manera muy sensible”, subraya el investigador, que es decano del Instituto de Nanosistemas de UNSAM.
Por su parte, Martínez Ricci relata: “La idea era unir la capacidad de amplificación de las nanopartículas metálicas con la intensificación que logra el cristal fotónico, y hacerlo de manera estratégica, lo cual no es sencillo: las capas tenían que tener un determinado espesor, y los poros, un tamaño controlado”.
Muestra sobre vidrio de un cristal fotónico poroso sintetizado por sol-gel de 6, 7 y 8 capas. Foto: Diana Martinez Llaser.
Se trabajó con una molécula que se pegaba a las nanopartículas metálicas y, al hacer incidir luz, la energía concentrada “permitía encontrar estas nanopartículas con mucha más resolución que si no hubiesen estado las dos cosas conjugadas”, según remarca la investigadora. En efecto, colocando la misma cantidad de la sustancia que se quería detectar, el sistema amplificado permitía obtener una señal cinco veces mayor.
En este caso, las pruebas se realizaron con una molécula patrón, pero la idea, según los investigadores, es poder avanzar de modo de adaptar la estructura para probar con diferentes moléculas, y poder detectar, por ejemplo, la presencia en ínfimas proporciones de un compuesto tóxico en el agua.
Concierto de disciplinas
“Este trabajo hubiera sido imposible si no hubiéramos combinado disciplinas tan diversas como la física, la química y la ciencia de materiales”, destaca Martínez Ricci. Así, la investigación llevó varios años, y cada etapa insumió mucho tiempo: la síntesis de los materiales, el modelado e, incluso, la redacción del artículo.
Los investigadores señalan que el dispositivo desarrollado constituye una investigación básica, lo que se conoce como “prueba de concepto”, en la que se buscaba conjugar dos estructuras, diseñar el dispositivo y probar la hipótesis, en este caso, de que esa combinación permitiría obtener una detección muy sensible de un compuesto. Las aplicaciones potenciales son múltiples, pero serán necesarios muchos experimentos aún.
Soler Illia concluye: “Como esta técnica es compatible con la industria electrónica y la de fibras ópticas, esto podría permitir el desarrollo de sensores ópticos de las moléculas que se desee, ya se encuentren en el ambiente o en los alimentos e, incluso, tendría aplicaciones en salud”.
