Una sonda de fibra óptica puede ver enlaces moleculares

La nueva herramienta de nanoscopia revela una imagen de moléculas de alta resolución.

En “Avengers: Endgame”, Tony Stark advirtió a Scott Lang que enviarlo al reino cuántico y traerlo de vuelta sería una “casualidad cósmica de mil millones a uno”.

En realidad, no es más fácil reducir un haz de luz a un punto del tamaño de un nanómetro para espiar las interacciones luz-materia a escala cuántica y recuperar la información.

Ahora, ingenieros de la Universidad de California, Riverside, han desarrollado una nueva tecnología para canalizar la luz hacia el reino cuántico con una eficiencia sin precedentes.

En un artículo de Nature Photonics, un equipo liderado por Ruoxue Yan, profesor asistente de ingeniería química y ambiental, y Ming Liu, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática, describen la primera herramienta portátil, económica, de nanoscopia óptica que integra fibra óptica con un condensador de nanocables de plata.

El dispositivo es un túnel de luz de ida y vuelta de alta eficiencia que exprime la luz visible hasta la punta del condensador para interactuar con las moléculas a nivel local y enviar información que puede descifrar y visualizar el nano mundo.

Nuestra capacidad para ampliar los detalles finos de un objeto está limitada por la naturaleza ondulatoria de la luz.

Si alguna vez usó un microscopio óptico en una clase de ciencias, probablemente aprendió que uno solo puede ampliar un objeto unas 2,000 veces antes de que todo se vuelva borroso.

Esto se debe a que es imposible distinguir una característica más fina que la mitad de la longitud de onda de la luz (unos pocos cientos de nanómetros para luz visible de campo lejano), sin importar qué tan avanzado sea su microscopio.

A diferencia de las ondas de campo lejano, las ondas de campo cercano solo existen muy cerca de una fuente de luz y no están regidas por esta regla.

Pero no viajan voluntariamente y son muy difíciles de utilizar u observar.

Desde la década de 1920, los científicos han pensado que forzar la luz a través de un pequeño agujero en una película de metal generaría ondas de campo cercano que podrían convertirse en luz detectable, pero los primeros prototipos exitosos no se construyeron hasta medio siglo después.

A principios de la década de 1990, Eric Betzig, el premio Nobel de química en 2014, realizó mejoras sustanciales en los prototipos anteriores en cuanto a rendimiento y confiabilidad en la obtención de imágenes.

Desde entonces, la microscopía óptica de exploración de campo cercano, como se conoce la técnica, se ha utilizado para revelar los detalles a nanoescala de muchos sistemas químicos, biológicos y de materiales.

Desafortunadamente, casi otro medio siglo más tarde, esta técnica es aún esotérica y utilizada por pocos.

“Enviar luz a través de un diminuto orificio mil veces más pequeño que el diámetro de una hebra de cabello humano no es fácil”, dijo Liu.

“Solo unos pocos en un millón de fotones, o partículas de luz, pueden pasar el orificio y alcanzar el objeto que desea ver.

Obtener un boleto de ida ya es un reto; un boleto de ida y vuelta para devolver una señal significativa es casi un sueño ”.

Los científicos han hecho un sinfín de esfuerzos para mejorar esto.

Si bien las sondas más sofisticadas en la actualidad permiten que solo uno de cada 1.000 fotones alcance el objeto, el dispositivo UC Riverside entrega la mitad de los fotones a la punta.

“La clave del diseño es un proceso de enfoque secuencial de dos pasos”, dijo Yan.

“En el primer paso, la longitud de onda de la luz de campo lejano aumenta lentamente a medida que baja por una fibra óptica que se adelgaza gradualmente, sin cambiar su frecuencia.

Cuando coincide con la longitud de onda de la onda de densidad de electrones en el nanocable de plata que se encuentra en la parte superior de la fibra óptica, ¡boom!

Toda la energía se transfiere a la onda de densidad electrónica y, en cambio, comienza a viajar sobre la superficie del nanocable”.

En el segundo paso del proceso de enfoque, la onda se condensa gradualmente a unos pocos nanómetros en el vértice de la punta.

El dispositivo UC Riverside, una pequeña aguja plateada con luz que sale de la punta “es algo así como la varita de Harry Potter que ilumina una pequeña área”, explicó Sanggon Kim, el estudiante de doctorado que realizó el estudio.

Kim usó el dispositivo para trazar la frecuencia de las vibraciones moleculares que permiten analizar los enlaces químicos que mantienen unidos a los átomos en una molécula.

Esto se conoce como espectroscopía Raman mejorada con punta, o imagen TERS.

TERS es la rama más desafiante de la microscopía óptica de campo cercano, ya que trata con señales muy débiles.

Por lo general, requiere equipos voluminosos de un millón de dólares para concentrar trabajos de preparación ligeros y tediosos para obtener imágenes de súper resolución.

Con el nuevo dispositivo, Kim logró una resolución de 1 nanómetro en un equipo portátil simple.

La invención podría ser una herramienta analítica poderosa que promete revelar un nuevo mundo de información a los investigadores en todas las disciplinas de la nanociencia.

“La integración de un conjunto de fibra y nanocables con espectroscopia Raman mejorada junto con un microscopio de exploración de túneles permite la recolección de imágenes químicas de alta resolución en una configuración simple y elegante, colocando esta herramienta a la vanguardia de la imagen óptica y la espectroscopia, estamos orgullosos de este logro y su impacto en la investigación química.

Nos sentimos aún más alentados por su posible aplicación en una amplia gama de disciplinas como la investigación biológica y de materiales, que fomentará el avance científico “, dijo Lin He, director adjunto de la división para La División de Química de la Fundación Nacional de Ciencias que en parte financió la investigación.

Fuente: Universidad de California, Riverside