Avance ruso podría convertir un microscopio estándar en un “supermicroscopio”

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Un equipo internacional de investigadores ha desarrollado una “nanobombilla” a partir de una nanopartícula de silicio y oro agitada por un láser de pulso. Esta nanobombilla luego fue integrada en un microscopio de sonda estándar con lo que se pudo observar objetos más pequeños que la longitud de onda. La investigación, liderada por científicos de la Universidad ITMO en San Petersburgo, Rusia, y que N+1 reseña en colaboración con los expertos de esta casa de estudios, fue publicada en la revista Nano Letters y podría potencialmente hacer que la microscopía moderna de campo cercano sea más barata y simple; algo bastante útil en la medicina moderna. 

Cómo funcionan los microscopios  

Los microscopios ópticos regulares funcionan enfocando la luz con lentes especiales para examinar un objeto. Sin embargo, si este tiene menos de una longitud de onda, no se puede observar en detalle. A esto se le conoce como el límite de difracción y actualmente existen varias tecnologías capaces de superar este límite.

Por otro lado, en el microscopio óptico de campo cercano, el campo electromagnético del objeto se mide en un campo cercano con una sonda especial que puede interactuar con el campo electromagnético localizado y dispersarlo en el área donde puede ser registrado por detectores comunes. Pero para obtener información sobre un objeto con una resolución de longitud de onda inferior en un amplio espectro, los investigadores a menudo pasan horas escaneando en diferentes longitudes de onda hasta que cubren todo el espectro.

Para solucionar ese problema, investigadores de la Universidad ITMO en San Petersburgo, Rusia utilizaron una "nanobombilla", una fuente de luz en miniatura basada en una nanopartícula de silicio y oro. Su principal característica es que emite luz en una banda de longitud de onda inmensamente amplia, de 400 a 1.000 nm.

Una sola nanobombilla puede registrar y analizar la respuesta óptica de todo tipo de nanoestructuras de longitud de onda inferior en todo el espectro visible al mismo tiempo. Esto aumenta varias veces la eficacia y la velocidad de la microscopía.

El experimento

Para crear la nanobombilla, científicos del Departamento de Nanofotónica y Metamateriales imprimieron una nanopartícula de silicio y oro. Para que emitan fotones, los investigadores la iluminaron con un láser infrarrojo durante un femtosegundo. Los electrones primero alcanzaron niveles de energía más altos, y luego se deslizaron hacia el fondo de la banda de conducción de silicio, emitiendo fotones a diferentes longitudes de onda.

"El silicio, un semiconductor de brecha no directa, es un material pobre para generar emisiones. En otras palabras, si lo enciendes con un láser, absorberá tal vez un millón de fotones y emitirá solo uno”, nos explicó, Sergei Makarov investigador asociado del Departamento de Nanofotónica y Metamateriales.

Sin embargo, debido a que el silicio es tan barato que literalmente puede extraerse de la arena, los científicos siempre han buscado formas de darle un uso en energía fotovoltaica. “Hemos encontrado una aplicación muy inesperada, utilizando su principal inconveniente -su espacio de banda indirecto- para crea una fuente de luz blanca de tamaño nanométrico que puede emitir fotones de energía de 3.4 a 1.1 eV",  añade Makarov.


Representación del uso de una fuente de luz blanca de tamaño nanométrico en microscopía de campo cercano
Makarov et Al / Universidad ITMO
 

Por su parte, el estudiante de doctorado Ivan Sinev, también de la Universidad ITMO, explicó que en el límite entre el oro y el silicio, surgen interfaces que proporcionan una recombinación radiactiva de electrones aún mejor. “Muchos de los mecanismos físicos que todavía debemos investigar están en funcionamiento aquí, por lo que hay mucho trabajo teórico que tendremos que hacer para mejorar nuestra nanobombilla, incluyendo la creación de un modelo de emitancia", dice el investigador.

Además, otra característica positiva de la nanobombilla es que utiliza un láser de banda infrarroja para generar luz visible. Esto significa que se puede eliminar el "ruido" adicional en la señal óptica mediante el filtrado de la luz infrarroja disipada, lo que a su vez mejora la efectividad con la que se registra la señal real.

Para probar la nanobombilla, los investigadores la colocaron en una sonda común de un microscopio de fuerza atómica utilizando un método desarrollado por Ivan Mukhin y Filipp Komissarenko del Departamento de Nanofotónica y Metamateriales. La sonda permitió a los investigadores traer la fuente de luz visible cerca del material de prueba, lo que amplificó enormemente la interacción de los campos cercanos.

Potenciales aplicaciones

La señal de esta emisión es registrada y separada en un espectro usando un espectrómetro regular. Por lo tanto, una nanobombilla podría integrarse en un equipo microscópico estándar. Se puede conectar a cualquier sonda y se puede usar para registrar sus señales con fotodetectores comunes, todo mientras se recibe información sobre un campo cercano de nano-objetos en toda la banda del espectro visible. Por lo tanto, las nanopartículas de silicio y oro podrían hacer que la microscopía sea más flexible y económica.

"También estamos desarrollando una idea para usar la nanobombilla como un nanoláser. Si colocamos una partícula de este tipo en un resonador capaz de cambiar la longitud operativa de la onda, podemos terminar con un láser sintonizable, que pueda funcionar en cualquier longitud de onda establecida en el espectro visible”, explica Sinev. “Además, la innovación también puede usarse en biología para iluminar células y detectar sustancias que son sensibles a longitudes de onda particulares", finaliza.

Los científicos de la Universidad ITMO ya han trabajado anteriormente en nanomateriales. Algunos ejemplos son un dispositivo para MRI que funciona de manera inalámbrica o unas nanopartículas magnéticas que ayudan a detener hemorragias internas.
 

Victor Román
Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma.

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