Una superlente , o súper lente , es una lente que utiliza metamateriales para ir más allá del límite de difracción . El límite de difracción es una característica de las lentes y microscopios convencionales que limita la precisión de su resolución dependiendo de la longitud de onda de iluminación y la apertura numérica (NA) de la lente objetivo. Se han propuesto muchos diseños de lentes que van más allá del límite de difracción de alguna manera, pero cada uno de ellos enfrenta restricciones y obstáculos. [1]
En 1873 Ernst Abbe informó que las lentes convencionales son incapaces de capturar algunos detalles finos de cualquier imagen dada. La superlente está diseñada para capturar tales detalles. Esta limitación de las lentes convencionales ha inhibido el progreso en las ciencias biológicas . Esto se debe a que un virus o una molécula de ADN no se pueden resolver con los microscopios convencionales de mayor potencia. Esta limitación se extiende a los procesos minúsculos de las proteínas celulares que se mueven junto a los microtúbulos de una célula viva en sus entornos naturales. Además, los chips de computadora y la microelectrónica interrelacionada continúan fabricándose a escalas progresivamente más pequeñas. Esto requiere equipo óptico especializado , que también es limitado porque estos utilizan lentes convencionales. Por lo tanto, los principios que rigen una superlente muestran que tiene potencial para obtener imágenes de moléculas de ADN, procesos de proteínas celulares y ayudar en la fabricación de chips de computadora y microelectrónica aún más pequeños. [2] [3] [4] [5]
Las lentes convencionales capturan únicamente las ondas de luz que se propagan , es decir, las que viajan desde una fuente de luz o un objeto hasta una lente o el ojo humano, y que pueden estudiarse como campo lejano . Por el contrario, una superlente captura las ondas de luz que se propagan y las ondas que permanecen sobre la superficie de un objeto, que pueden estudiarse como campo lejano y campo cercano . [6] [7]
A principios del siglo XX, Dennis Gabor utilizó el término "superlente" para describir algo muy diferente: un sistema de matriz de lentes compuestas. [8]
Una imagen de un objeto puede definirse como una representación tangible o visible de las características de ese objeto. Un requisito para la formación de la imagen es la interacción con campos de radiación electromagnética . Además, el nivel de detalle de las características, o resolución de la imagen , está limitado a la longitud de una onda de radiación . Por ejemplo, con la microscopía óptica , la producción y resolución de la imagen depende de la longitud de una onda de luz visible. Sin embargo, con una superlente, esta limitación puede eliminarse y generar una nueva clase de imagen. [9]
La litografía por haz de electrones puede superar este límite de resolución . La microscopía óptica, por otro lado, no puede, ya que está limitada a un valor justo por encima de los 200 nanómetros . [4] Sin embargo, las nuevas tecnologías combinadas con la microscopía óptica están comenzando a permitir una mayor resolución de las características (ver las secciones siguientes).
Una definición de estar limitado por la barrera de resolución es un corte de resolución a la mitad de la longitud de onda de la luz . El espectro visible tiene un rango que se extiende desde 390 nanómetros hasta 750 nanómetros. La luz verde , a medio camino entre ambos, ronda los 500 nanómetros. La microscopía tiene en cuenta parámetros como la apertura de la lente , la distancia del objeto a la lente y el índice de refracción del material observado. Esta combinación define el corte de resolución, o límite óptico de microscopía , que se tabula hasta 200 nanómetros. Por lo tanto, las lentes convencionales, que literalmente construyen una imagen de un objeto utilizando ondas de luz "ordinarias", descartan información que produce detalles muy finos y minúsculos del objeto que están contenidos en ondas evanescentes . Estas dimensiones son menores de 200 nanómetros. Por esta razón, los sistemas ópticos convencionales, como los microscopios , no han podido obtener imágenes precisas de estructuras muy pequeñas, de tamaño nanométrico , u organismos de tamaño nanométrico in vivo , como virus individuales o moléculas de ADN . [4] [5]
Las limitaciones de la microscopía óptica estándar ( microscopía de campo claro ) radican en tres áreas:
Las células biológicas vivas, en particular, generalmente carecen de suficiente contraste para ser estudiadas con éxito, porque las estructuras internas de la célula son en su mayoría incoloras y transparentes. La forma más común de aumentar el contraste es teñir las diferentes estructuras con colorantes selectivos , pero a menudo esto implica matar y fijar la muestra. La tinción también puede introducir artefactos , detalles estructurales aparentes que son causados por el procesamiento de la muestra y, por lo tanto, no son una característica legítima de la muestra.
La lente de vidrio convencional está muy extendida en nuestra sociedad y en las ciencias . Es una de las herramientas fundamentales de la óptica simplemente porque interactúa con varias longitudes de onda de luz. Al mismo tiempo, la longitud de onda de la luz puede ser análoga al ancho de un lápiz utilizado para dibujar las imágenes ordinarias. El límite se entromete de muchas maneras. Por ejemplo, el láser utilizado en un sistema de vídeo digital no puede leer detalles de un DVD que sean más pequeños que la longitud de onda del láser. Esto limita la capacidad de almacenamiento de los DVD. [10]
Por lo tanto, cuando un objeto emite o refleja luz, hay dos tipos de radiación electromagnética asociada con este fenómeno . Estas son la radiación de campo cercano y la radiación de campo lejano . Como implica su descripción, el campo lejano escapa más allá del objeto. Luego es fácilmente capturado y manipulado por una lente de vidrio convencional. Sin embargo, los detalles de resolución útiles (de tamaño nanométrico) no se observan, porque están ocultos en el campo cercano. Permanecen localizados, permaneciendo mucho más cerca del objeto emisor de luz, incapaces de viajar y sin poder ser capturados por la lente convencional. El control de la radiación de campo cercano, para una alta resolución, se puede lograr con una nueva clase de materiales que no se obtienen fácilmente en la naturaleza. Estos son diferentes a los sólidos familiares , como los cristales , que derivan sus propiedades de unidades atómicas y moleculares . La nueva clase de materiales, denominada metamateriales , obtiene sus propiedades de su estructura artificialmente más grande. Esto ha dado como resultado propiedades novedosas y respuestas novedosas, que permiten detalles de imágenes que superan las limitaciones impuestas por la longitud de onda de la luz. [10]
Esto ha llevado al deseo de ver interacciones de células biológicas vivas en un entorno natural en tiempo real y a la necesidad de imágenes por debajo de la longitud de onda . Las imágenes por debajo de la longitud de onda se pueden definir como microscopía óptica con la capacidad de ver detalles de un objeto u organismo por debajo de la longitud de onda de la luz visible (ver discusión en las secciones anteriores). En otras palabras, tener la capacidad de observar, en tiempo real, por debajo de los 200 nanómetros. La microscopía óptica es una técnica y tecnología no invasiva porque la luz cotidiana es el medio de transmisión . Las imágenes por debajo del límite óptico en la microscopía óptica (por debajo de la longitud de onda) se pueden diseñar para el nivel celular y, en principio, a nivel nanométrico.
Por ejemplo, en 2007 se demostró una técnica en la que una lente basada en metamateriales acoplada a una lente óptica convencional podía manipular la luz visible para ver patrones ( a escala nanométrica ) que eran demasiado pequeños para ser observados con un microscopio óptico ordinario. Esto tiene aplicaciones potenciales no solo para observar una célula viva completa, o para observar procesos celulares , como la forma en que las proteínas y las grasas entran y salen de las células. En el ámbito de la tecnología , podría usarse para mejorar los primeros pasos de la fotolitografía y la nanolitografía , esenciales para fabricar chips de computadora cada vez más pequeños . [4] [11]
El enfoque en sublongitudes de onda se ha convertido en una técnica de obtención de imágenes única que permite visualizar características del objeto observado que son más pequeñas que la longitud de onda de los fotones en uso. Un fotón es la unidad mínima de luz. Si bien antes se pensaba que era físicamente imposible, la obtención de imágenes en sublongitudes de onda se ha hecho posible gracias al desarrollo de metamateriales. Esto se logra generalmente utilizando una capa de metal como oro o plata de unos pocos átomos de espesor, que actúa como una superlente, o por medio de cristales fotónicos 1D y 2D . [12] [13] Existe una interacción sutil entre las ondas que se propagan, las ondas evanescentes, la obtención de imágenes de campo cercano y la obtención de imágenes de campo lejano que se analiza en las secciones siguientes. [4] [14]
Las lentes metamateriales ( superlentes ) son capaces de reconstruir imágenes de tamaño nanométrico al producir un índice de refracción negativo en cada caso. Esto compensa la rápida descomposición de las ondas evanescentes. Antes de los metamateriales, se habían propuesto e incluso demostrado numerosas otras técnicas para crear microscopía de superresolución . Ya en 1928, se le atribuye al físico irlandés Edward Hutchinson Synge el mérito de concebir y desarrollar la idea de lo que finalmente se convertiría en la microscopía óptica de barrido de campo cercano . [15] [16] [17]
En 1974 se presentaron propuestas para técnicas de fabricación bidimensionales. Estas propuestas incluían imágenes de contacto para crear un patrón en relieve, fotolitografía, litografía por haz de electrones , litografía de rayos X o bombardeo de iones , sobre un sustrato plano apropiado . [18] Los objetivos tecnológicos compartidos de la lente metamaterial y la variedad de litografía apuntan a resolver ópticamente características que tienen dimensiones mucho más pequeñas que la de la longitud de onda de vacío de la luz de exposición. [19] [20] En 1981 se demostraron dos técnicas diferentes de imágenes de contacto de patrones metálicos submicroscópicos planares (planos) con luz azul (400 nm ). Una demostración dio como resultado una resolución de imagen de 100 nm y la otra una resolución de 50 a 70 nm. [20]
En 1995, John Guerra combinó una rejilla transparente con líneas y espacios de 50 nm (el "metamaterial") con un objetivo de inmersión de microscopio convencional. La "superlente" resultante resolvió una muestra de silicio que también tenía líneas y espacios de 50 nm, mucho más allá del límite de difracción clásico impuesto por la iluminación con una longitud de onda de 650 nm en el aire. [21]
Desde al menos 1998, la litografía óptica de campo cercano fue diseñada para crear características a escala nanométrica. La investigación sobre esta tecnología continuó hasta que en 2000-2001 apareció el primer metamaterial de índice negativo demostrado experimentalmente . A principios del nuevo milenio también se estaba investigando la eficacia de la litografía por haz de electrones para aplicaciones a escala nanométrica. Se demostró que la litografía por impresión presentaba ventajas deseables para la investigación y la tecnología a escala nanométrica. [19] [22]
La fotolitografía ultravioleta avanzada y profunda puede ofrecer ahora una resolución inferior a 100 nm, aunque el tamaño mínimo de las características y el espaciado entre patrones están determinados por el límite de difracción de la luz. Sus tecnologías derivadas, como la litografía evanescente de campo cercano, la litografía de interferencia de campo cercano y la litografía de máscara de desplazamiento de fase, se desarrollaron para superar el límite de difracción. [19]
En el año 2000, John Pendry propuso utilizar una lente metamaterial para lograr imágenes a escala nanométrica para enfocar por debajo de la longitud de onda de la luz. [1] [23]
El problema original de la lente perfecta: la expansión general de un campo electromagnético que emana de una fuente consta tanto de ondas que se propagan como de ondas evanescentes o de campo cercano. Un ejemplo de una fuente lineal 2-D con un campo eléctrico que tiene polarización S tendrá ondas planas que constan de componentes que se propagan y evanescentes, que avanzan en paralelo a la interfaz. [24] A medida que tanto las ondas que se propagan como las evanescentes más pequeñas avanzan en una dirección paralela a la interfaz del medio, las ondas evanescentes decaen en la dirección de propagación. Los elementos ópticos ordinarios (índice positivo) pueden reenfocar los componentes que se propagan, pero los componentes no homogéneos que decaen exponencialmente siempre se pierden, lo que conduce al límite de difracción para enfocar una imagen. [24]
Una superlente es una lente capaz de captar imágenes en longitudes de onda inferiores a las normales, lo que permite ampliar los rayos de campo cercano. Las lentes convencionales tienen una resolución del orden de una longitud de onda debido al llamado límite de difracción. Este límite dificulta la captación de imágenes de objetos muy pequeños, como átomos individuales, que son mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz visible. Una superlente es capaz de superar el límite de difracción. Un ejemplo es la lente inicial descrita por Pendry, que utiliza una placa de material con un índice de refracción negativo como lente plana . En teoría, una lente perfecta sería capaz de enfocar perfectamente , lo que significa que podría reproducir perfectamente el campo electromagnético del plano de la fuente en el plano de la imagen.
La limitación de rendimiento de las lentes convencionales se debe al límite de difracción. Siguiendo a Pendry (2000), el límite de difracción se puede entender de la siguiente manera. Consideremos un objeto y una lente colocados a lo largo del eje z de modo que los rayos del objeto viajen en la dirección +z. El campo que emana del objeto se puede escribir en términos de su método de espectro angular , como una superposición de ondas planas :
donde es una función de :
Solo se toma la raíz cuadrada positiva, ya que la energía va en la dirección + z . Todos los componentes del espectro angular de la imagen para la que es real se transmiten y se reenfocan mediante una lente común. Sin embargo, si
Entonces se vuelve imaginaria y la onda es una onda evanescente, cuya amplitud decae a medida que la onda se propaga a lo largo del eje z . Esto da como resultado la pérdida de los componentes de alta frecuencia angular de la onda, que contienen información sobre las características de alta frecuencia (pequeña escala) del objeto que se está fotografiando. La resolución más alta que se puede obtener se puede expresar en términos de la longitud de onda:
Una superlente supera el límite. Una superlente de tipo Pendry tiene un índice de n = −1 (ε=−1, μ=−1), y en un material de este tipo, el transporte de energía en la dirección + z requiere que el componente z del vector de onda tenga signo opuesto:
Para frecuencias angulares grandes, la onda evanescente ahora crece , por lo que con un espesor de lente adecuado, todos los componentes del espectro angular pueden transmitirse a través de la lente sin distorsión. No hay problemas con la conservación de energía , ya que las ondas evanescentes no transportan ninguna en la dirección de crecimiento: el vector de Poynting está orientado perpendicularmente a la dirección de crecimiento. Para ondas que viajan dentro de una lente perfecta, el vector de Poynting apunta en dirección opuesta a la velocidad de fase. [3]
Normalmente, cuando una onda pasa a través de la interfaz de dos materiales, la onda aparece en el lado opuesto de la normal . Sin embargo, si la interfaz está entre un material con un índice de refracción positivo y otro material con un índice de refracción negativo, la onda aparecerá en el mismo lado de la normal. La idea de Pendry de una lente perfecta es un material plano donde n = −1. Una lente de este tipo permite que los rayos de campo cercano, que normalmente se desintegran debido al límite de difracción, se enfoquen una vez dentro de la lente y una vez fuera de la lente, lo que permite obtener imágenes de longitud de onda inferior. [25]
En un tiempo se pensó que la construcción de superlentes era imposible. En 2000, Pendry afirmó que una simple placa de material levógiro haría el trabajo. [26] Sin embargo, la realización experimental de una lente de este tipo llevó algo más de tiempo, porque no es tan fácil fabricar metamateriales con permitividad y permeabilidad negativas . De hecho, no existe tal material de forma natural y la construcción de los metamateriales necesarios no es trivial. Además, se demostró que los parámetros del material son extremadamente sensibles (el índice debe ser igual a -1); pequeñas desviaciones hacen que la resolución de sublongitud de onda sea inobservable. [27] [28] Debido a la naturaleza resonante de los metamateriales, de la que dependen muchas implementaciones (propuestas) de superlentes, los metamateriales son altamente dispersivos. La naturaleza sensible de la superlente a los parámetros del material hace que las superlentes basadas en metamateriales tengan un rango de frecuencia utilizable limitado. Este diseño teórico inicial de superlente consistía en un metamaterial que compensaba la descomposición de las ondas y reconstruía imágenes en el campo cercano. Tanto las ondas propagadas como las evanescentes podían contribuir a la resolución de la imagen. [1] [23] [29]
Pendry también sugirió que una lente que tenga sólo un parámetro negativo formaría una superlente aproximada, siempre que las distancias involucradas sean también muy pequeñas y que la polarización de la fuente sea apropiada. Para la luz visible, este es un sustituto útil, ya que es difícil diseñar metamateriales con una permeabilidad negativa a la frecuencia de la luz visible. Los metales son entonces una buena alternativa ya que tienen permitividad negativa (pero no permeabilidad negativa). Pendry sugirió usar plata debido a su pérdida relativamente baja a la longitud de onda de operación prevista (356 nm). En 2003, la teoría de Pendry se demostró experimentalmente por primera vez [13] en frecuencias de RF/microondas. En 2005, dos grupos independientes verificaron la lente de Pendry en el rango UV, ambos usando capas delgadas de plata iluminadas con luz UV para producir "fotografías" de objetos más pequeños que la longitud de onda. [30] [31] La refracción negativa de la luz visible se verificó experimentalmente en un bicristal de ortovanadato de itrio (YVO 4 ) en 2003. [32]
Se descubrió que un diseño simple de superlente para microondas podría utilizar una matriz de cables conductores paralelos. [33] Se demostró que esta estructura puede mejorar la resolución de las imágenes por resonancia magnética .
En 2004, la primera superlente con un índice de refracción negativo proporcionó una resolución tres veces mejor que el límite de difracción y se demostró en frecuencias de microondas . [34] En 2005, N. Fang et al. demostraron la primera superlente de campo cercano , pero la lente no dependía de la refracción negativa . En cambio, se utilizó una película fina de plata para mejorar los modos evanescentes a través del acoplamiento de plasmones de superficie . [35] [36] Casi al mismo tiempo, Melville y Blaikie tuvieron éxito con una superlente de campo cercano. Otros grupos siguieron. [30] [37] En 2008 se informaron dos desarrollos en la investigación de superlentes. [38] En el segundo caso, se formó un metamaterial a partir de nanocables de plata que se depositaron electroquímicamente en óxido de aluminio poroso. El material exhibió refracción negativa. [39] También se analizó el rendimiento de imagen de dichas lentes de losa de constante dieléctrica negativa isotrópica con respecto al material de la losa y el espesor. [40] También se han estudiado las oportunidades de obtención de imágenes de longitud de onda inferior con lentes anisotrópicas uniaxiales planas, donde los componentes del tensor dieléctrico son de signo opuesto, en función de los parámetros de estructura. [41]
La superlente aún no ha sido demostrada en frecuencias visibles o infrarrojas cercanas (Nielsen, RB; 2010). Además, como materiales dispersivos, están limitados a funcionar en una sola longitud de onda. Las soluciones propuestas son los compuestos metal-dieléctricos (MDC) [42] y las estructuras de lentes multicapa. [43] La superlente multicapa parece tener una mejor resolución de sublongitud de onda que la superlente de capa única. Las pérdidas son una preocupación menor con el sistema multicapa, pero hasta ahora parece ser poco práctico debido a la falta de coincidencia de impedancia . [35]
Si bien la evolución de las técnicas de nanofabricación continúa ampliando los límites en la fabricación de nanoestructuras, la rugosidad de la superficie sigue siendo una fuente inevitable de preocupación en el diseño de dispositivos nanofotónicos. También se ha estudiado el impacto de esta rugosidad de la superficie en las constantes dieléctricas efectivas y la resolución de imagen de sublongitud de onda de lentes de apilamiento de metal-aislante multicapa. [44]
Cuando se observa el mundo a través de lentes convencionales, la nitidez de la imagen está determinada y limitada por la longitud de onda de la luz. Alrededor del año 2000, se teorizó que una placa de metamaterial de índice negativo crearía una lente con capacidades más allá de las lentes convencionales ( de índice positivo ). Pendry propuso que una placa delgada de metamaterial refractivo negativo podría superar los problemas conocidos con las lentes comunes para lograr una lente "perfecta" que enfocaría todo el espectro, tanto el espectro de propagación como el evanescente. [1] [45]
Se propuso una placa de plata como metamaterial. Más específicamente, esta película delgada de plata puede considerarse como una metasuperficie . A medida que la luz se aleja (se propaga) de la fuente, adquiere una fase arbitraria . A través de una lente convencional, la fase permanece constante, pero las ondas evanescentes decaen exponencialmente . En la placa de metamaterial DNG plana, las ondas evanescentes que normalmente decaen se amplifican de manera contraria . Además, a medida que las ondas evanescentes se amplifican, la fase se invierte. [1]
Por lo tanto, se propuso un tipo de lente, que consiste en un metamaterial de película metálica. Cuando se ilumina cerca de su frecuencia de plasma , la lente podría usarse para imágenes de súper resolución que compensan la descomposición de las ondas y reconstruyen imágenes en el campo cercano. Además, tanto las ondas propagadas como las evanescentes contribuyen a la resolución de la imagen. [1]
Pendry sugirió que las placas zurdas permiten una "imagen perfecta" si no tienen ninguna pérdida, tienen impedancia adaptada y su índice de refracción es -1 en relación con el medio circundante. En teoría, esto sería un gran avance, ya que la versión óptica resuelve objetos tan minúsculos como nanómetros de diámetro. Pendry predijo que los metamateriales doblemente negativos (DNG) con un índice de refracción de n = -1 pueden actuar, al menos en principio, como una "lente perfecta" que permite una resolución de imagen que no está limitada por la longitud de onda, sino por la calidad del material. [1] [46] [47] [48]
Investigaciones posteriores demostraron que la teoría de Pendry sobre la lente perfecta no era del todo correcta. El análisis del enfoque del espectro evanescente (ecuaciones 13-21 en la referencia [1] ) era erróneo. Además, esto se aplica solo a un caso (teórico), y se trata de un medio particular sin pérdidas, no dispersivo y cuyos parámetros constituyentes se definen como: [45]
Sin embargo, el resultado intuitivo final de esta teoría de que tanto las ondas propagadas como las evanescentes están enfocadas, lo que da como resultado un punto focal convergente dentro de la placa y otra convergencia (punto focal) más allá de la placa resultó ser correcto. [45]
Si el medio metamaterial DNG tiene un índice negativo grande o se vuelve dispersivo o con pérdidas , no se puede lograr el efecto de lente perfecto de Pendry. Como resultado, el efecto de lente perfecto no existe en general. Según las simulaciones FDTD en ese momento (2001), la placa DNG actúa como un convertidor de una onda cilíndrica pulsada a un haz pulsado. Además, en la realidad (en la práctica), un medio DNG debe ser y es dispersivo y con pérdidas, lo que puede tener efectos deseables o indeseables, según la investigación o la aplicación. En consecuencia, el efecto de lente perfecto de Pendry es inaccesible con cualquier metamaterial diseñado para ser un medio DNG. [45]
Otro análisis, en 2002, [24] del concepto de lente perfecta demostró que era erróneo al utilizar el DNG sin pérdidas y sin dispersión como sujeto. Este análisis demostró matemáticamente que las sutilezas de las ondas evanescentes, la restricción a una placa finita y la absorción habían llevado a inconsistencias y divergencias que contradicen las propiedades matemáticas básicas de los campos de ondas dispersas. Por ejemplo, este análisis afirmó que la absorción , que está vinculada a la dispersión , siempre está presente en la práctica, y la absorción tiende a transformar las ondas amplificadas en ondas en descomposición dentro de este medio (DNG). [24]
Un tercer análisis del concepto de lente perfecta de Pendry, publicado en 2003, [49] utilizó la reciente demostración de refracción negativa en frecuencias de microondas [50] como confirmación de la viabilidad del concepto fundamental de la lente perfecta. Además, se pensó que esta demostración era evidencia experimental de que un metamaterial DNG planar reenfocaría la radiación de campo lejano de una fuente puntual. Sin embargo, la lente perfecta requeriría valores significativamente diferentes de permitividad , permeabilidad y periodicidad espacial que la muestra refractiva negativa demostrada. [49] [50]
Este estudio coincide en que cualquier desviación de las condiciones en las que ε=μ=−1 da como resultado una imagen normal, convencional e imperfecta que se degrada exponencialmente, es decir, el límite de difracción. La solución de lente perfecta en ausencia de pérdidas tampoco es práctica y puede dar lugar a interpretaciones paradójicas. [24]
Se determinó que, si bien los plasmones superficiales resonantes no son deseables para la obtención de imágenes, resultan esenciales para la recuperación de ondas evanescentes en descomposición. Este análisis descubrió que la periodicidad de los metamateriales tiene un efecto significativo en la recuperación de tipos de componentes evanescentes. Además, es posible lograr una resolución de sublongitud de onda con las tecnologías actuales. Se han demostrado índices de refracción negativos en metamateriales estructurados. Dichos materiales pueden diseñarse para tener parámetros de material ajustables y así lograr las condiciones óptimas. Las pérdidas hasta frecuencias de microondas pueden minimizarse en estructuras que utilizan elementos superconductores . Además, la consideración de estructuras alternativas puede conducir a configuraciones de materiales zurdos que pueden lograr un enfoque de sublongitud de onda. Dichas estructuras se estaban estudiando en ese momento. [24]
Recientemente se ha propuesto un enfoque eficaz para la compensación de pérdidas en metamateriales, llamado esquema de inyección de plasmón. [51] El esquema de inyección de plasmón se ha aplicado teóricamente a lentes planas de índice negativo imperfectas con pérdidas de material razonables y en presencia de ruido [52] [53] así como a hiperlentes. [54] Se ha demostrado que incluso las lentes planas de índice negativo imperfectas asistidas con un esquema de inyección de plasmón pueden permitir la obtención de imágenes por subdifracción de objetos, lo que de otro modo no sería posible debido a las pérdidas y al ruido. Aunque el esquema de inyección de plasmón se conceptualizó originalmente para metamateriales plasmónicos, [51] el concepto es general y aplicable a todos los tipos de modos electromagnéticos. La idea principal del esquema es la superposición coherente de los modos con pérdidas en el metamaterial con un campo auxiliar externo estructurado adecuadamente. Este campo auxiliar explica las pérdidas en el metamaterial, por lo tanto, reduce eficazmente las pérdidas experimentadas por el haz de señal o el campo del objeto en el caso de una lente de metamaterial. El esquema de inyección de plasmones se puede implementar físicamente [53] o de manera equivalente a través del método de posprocesamiento de deconvolución. [52] [54] Sin embargo, la implementación física ha demostrado ser más efectiva que la deconvolución. La construcción física de la convolución y la amplificación selectiva de las frecuencias espaciales dentro de un ancho de banda estrecho son las claves para la implementación física del esquema de inyección de plasmones. Este esquema de compensación de pérdidas es ideal especialmente para lentes metamateriales ya que no requiere medio de ganancia, no linealidad o cualquier interacción con fonones. La demostración experimental del esquema de inyección de plasmones aún no se ha mostrado en parte porque la teoría es bastante nueva.
La lente teórica de Pendry fue diseñada para enfocar tanto las ondas que se propagan como las ondas evanescentes del campo cercano. A partir de la permitividad "ε" y la permeabilidad magnética "μ" se deriva un índice de refracción "n". El índice de refracción determina cómo se desvía la luz al atravesar un material a otro. En 2003, se sugirió que un metamaterial construido con capas alternas y paralelas de n = −1 materiales y n = +1 materiales, sería un diseño más efectivo para una lente metamaterial . Es un medio efectivo compuesto por una pila de múltiples capas, que exhibe birrefringencia , n 2 = ∞, n x = 0. Los índices de refracción efectivos son entonces perpendiculares y paralelos , respectivamente. [55]
Al igual que en una lente convencional, la dirección z se encuentra a lo largo del eje del rollo. La frecuencia de resonancia (w 0 ), cercana a los 21,3 MHz, está determinada por la construcción del rollo. La amortiguación se logra mediante la resistencia inherente de las capas y la parte con pérdidas de la permitividad. [55]
En pocas palabras, a medida que el patrón de campo se transfiere desde la cara de entrada a la de salida de una placa, la información de la imagen se transporta a través de cada capa. Esto se demostró experimentalmente. Para probar el rendimiento de la formación de imágenes bidimensionales del material, se construyó una antena a partir de un par de cables antiparalelos con la forma de la letra M. Esto generó una línea de flujo magnético, proporcionando así un patrón de campo característico para la formación de imágenes. Se colocó horizontalmente y el material, que consta de 271 rollos suizos sintonizados a 21,5 MHz, se colocó encima de ella. El material actúa de hecho como un dispositivo de transferencia de imágenes para el campo magnético. La forma de la antena se reproduce fielmente en el plano de salida, tanto en la distribución de la intensidad de pico como en los "valles" que delimitan la M. [55]
Una característica constante del campo muy cercano (evanescente) es que los campos eléctrico y magnético están en gran medida desacoplados, lo que permite una manipulación casi independiente del campo eléctrico con la permitividad y del campo magnético con la permeabilidad. [55]
Además, se trata de un sistema altamente anisotrópico . Por lo tanto, los componentes transversales (perpendiculares) del campo electromagnético que irradia el material, es decir, los componentes del vector de onda k x y k y , están desacoplados del componente longitudinal k z . Por lo tanto, el patrón de campo debería transferirse desde la cara de entrada a la cara de salida de una placa de material sin degradación de la información de la imagen. [55]
En 2003, un grupo de investigadores demostró que las ondas evanescentes ópticas se potenciaban al pasar a través de una lente de metamaterial de plata, a la que se denominó lente libre de difracción. Aunque no se pretendía ni se logró una imagen coherente de alta resolución, se demostró experimentalmente la regeneración del campo evanescente. [56] [57]
En 2003, se sabía desde hacía décadas que las ondas evanescentes podían mejorarse mediante la producción de estados excitados en las superficies de la interfaz . Sin embargo, el uso de plasmones de superficie para reconstruir componentes evanescentes no se había probado hasta la reciente propuesta de Pendry (véase " Lente perfecta " más arriba). Al estudiar películas de espesor variable, se ha observado que se produce un coeficiente de transmisión que crece rápidamente , en las condiciones adecuadas. Esta demostración proporcionó evidencia directa de que la base de la superlente es sólida y sugirió el camino que permitirá la observación de la superlente en longitudes de onda ópticas. [57]
En 2005 se produjo una imagen coherente de alta resolución (basada en los resultados de 2003). Una placa de plata más delgada (35 nm) era mejor para la obtención de imágenes limitadas por subdifracción, lo que da como resultado una sexta parte de la longitud de onda de iluminación. Este tipo de lente se utilizó para compensar la descomposición de las ondas y reconstruir imágenes en el campo cercano. Los intentos anteriores de crear una superlente funcional utilizaban una placa de plata que era demasiado gruesa. [23] [46]
Se obtuvieron imágenes de objetos tan pequeños como de 40 nm de diámetro. En 2005, el límite de resolución de imágenes para microscopios ópticos era de aproximadamente una décima parte del diámetro de un glóbulo rojo . Con la superlente de plata, esto da como resultado una resolución de una centésima parte del diámetro de un glóbulo rojo. [56]
Las lentes convencionales, ya sean artificiales o naturales, crean imágenes capturando las ondas de luz que se propagan y que emiten todos los objetos, para luego curvarlas. El ángulo de curvatura está determinado por el índice de refracción y siempre ha sido positivo hasta la fabricación de materiales artificiales de índice negativo. Los objetos también emiten ondas evanescentes que transmiten detalles del objeto, pero que no se pueden obtener con la óptica convencional. Estas ondas evanescentes decaen exponencialmente y, por lo tanto, nunca forman parte de la resolución de la imagen, un umbral óptico conocido como límite de difracción. Romper este límite de difracción y capturar ondas evanescentes es fundamental para la creación de una representación 100 por ciento perfecta de un objeto. [23]
Además, los materiales ópticos convencionales sufren un límite de difracción porque sólo los componentes propagadores se transmiten (por el material óptico) desde una fuente de luz. [23] Los componentes no propagadores, las ondas evanescentes, no se transmiten. [24] Además, las lentes que mejoran la resolución de la imagen al aumentar el índice de refracción están limitadas por la disponibilidad de materiales de alto índice, y la obtención de imágenes punto por punto de sublongitud de onda de la microscopía electrónica también tiene limitaciones en comparación con el potencial de una superlente funcional. Los microscopios electrónicos de barrido y de fuerza atómica se utilizan ahora para capturar detalles de hasta unos pocos nanómetros. Sin embargo, estos microscopios crean imágenes escaneando objetos punto por punto, lo que significa que normalmente están limitados a muestras no vivas, y los tiempos de captura de imágenes pueden tardar hasta varios minutos. [23]
Con los microscopios ópticos actuales, los científicos sólo pueden distinguir estructuras relativamente grandes dentro de una célula, como su núcleo y mitocondrias. Con una superlente, los microscopios ópticos podrían algún día revelar los movimientos de proteínas individuales que viajan a lo largo de los microtúbulos que forman el esqueleto de una célula, dijeron los investigadores. Los microscopios ópticos pueden capturar un fotograma completo con una sola instantánea en una fracción de segundo. Con las superlentes esto abre la posibilidad de obtener imágenes a escala nanométrica de materiales vivos, lo que puede ayudar a los biólogos a comprender mejor la estructura y función celular en tiempo real. [23]
Los avances en el acoplamiento magnético en el régimen de THz e infrarrojo permitieron la realización de una posible superlente metamaterial. Sin embargo, en el campo cercano, las respuestas eléctricas y magnéticas de los materiales están desacopladas. Por lo tanto, para las ondas magnéticas transversales (TM), solo se necesitaba considerar la permitividad. Los metales nobles, entonces, se convierten en selecciones naturales para la superlente porque se logra fácilmente la permitividad negativa. [23]
Al diseñar la placa metálica delgada de modo que las oscilaciones de la corriente superficial (plasmones de superficie) coincidan con las ondas evanescentes del objeto, la superlente puede mejorar sustancialmente la amplitud del campo. La superlente resulta de la mejora de las ondas evanescentes por los plasmones de superficie. [23] [56]
La clave de la superlente es su capacidad de mejorar y recuperar significativamente las ondas evanescentes que transportan información a escalas muy pequeñas. Esto permite obtener imágenes muy por debajo del límite de difracción. Ninguna lente es capaz todavía de reconstruir por completo todas las ondas evanescentes emitidas por un objeto, por lo que el objetivo de una imagen 100 por ciento perfecta persistirá. Sin embargo, muchos científicos creen que una lente verdaderamente perfecta no es posible porque siempre habrá alguna pérdida de absorción de energía cuando las ondas pasen a través de cualquier material conocido. En comparación, la imagen de la superlente es sustancialmente mejor que la creada sin la superlente de plata. [23]
En febrero de 2004, un sistema de enfoque de radiación electromagnética, basado en una placa de metamaterial de índice negativo, logró obtener imágenes de longitud de onda inferior en el dominio de las microondas. Esto demostró que es posible obtener imágenes separadas a una longitud de onda mucho menor que la de la luz. [58] Además, en 2004, se utilizó una capa de plata para obtener imágenes de campo cercano de submicrómetros . No se logró una resolución superalta, pero era lo que se pretendía. La capa de plata era demasiado gruesa para permitir mejoras significativas de los componentes de campo evanescente. [30]
A principios de 2005, se logró una resolución de características con una capa de plata diferente. Aunque no se trataba de una imagen real, era lo que se pretendía. Se produjo una resolución de características densa de hasta 250 nm en una fotorresistencia de 50 nm de espesor utilizando la iluminación de una lámpara de mercurio . Mediante simulaciones ( FDTD ), el estudio observó que se podían esperar mejoras de resolución para la obtención de imágenes a través de lentes de plata, en lugar de otro método de obtención de imágenes de campo cercano. [59]
Basándose en esta investigación previa, se logró una súper resolución en frecuencias ópticas utilizando una capa de plata plana de 50 nm. La capacidad de resolver una imagen más allá del límite de difracción, para imágenes de campo lejano , se define aquí como súper resolución. [30]
La fidelidad de la imagen ha mejorado mucho con respecto a los resultados anteriores de la pila de lentes experimental anterior. La obtención de imágenes de características submicrométricas se ha mejorado en gran medida mediante el uso de capas de plata y espaciador más delgadas y mediante la reducción de la rugosidad de la superficie de la pila de lentes. La capacidad de las lentes de plata para obtener imágenes de las rejillas se ha utilizado como prueba de resolución definitiva, ya que existe un límite concreto para la capacidad de una lente convencional (de campo lejano) para obtener imágenes de un objeto periódico; en este caso, la imagen es una rejilla de difracción. Para la iluminación de incidencia normal, el período espacial mínimo que se puede resolver con una longitud de onda λ a través de un medio con un índice de refracción n es λ/n. Por lo tanto, se esperaría un contraste cero en cualquier imagen de campo lejano (convencional) por debajo de este límite, sin importar lo buena que pueda ser la resistencia de obtención de imágenes. [30]
El conjunto de (super)lentes que se muestra aquí da como resultado computacional una resolución limitada por difracción de 243 nm. Se obtienen imágenes de rejillas con períodos desde 500 nm hasta 170 nm, y la profundidad de la modulación en la resistencia se reduce a medida que se reduce el período de la rejilla. Todas las rejillas con períodos superiores al límite de difracción (243 nm) tienen una buena resolución. [30] Los resultados clave de este experimento son la superimagen del límite de subdifracción para períodos de 200 nm y 170 nm. En ambos casos, las rejillas se resuelven, aunque el contraste disminuye, pero esto proporciona una confirmación experimental de la propuesta de superlente de Pendry. [30]
Índice de gradiente (GRIN): la mayor variedad de respuestas de los materiales disponibles en los metamateriales debería conducir a un mejor diseño de lentes GRIN. En particular, dado que la permitividad y la permeabilidad de un metamaterial se pueden ajustar de forma independiente, las lentes GRIN de metamateriales se pueden adaptar mejor al espacio libre. La lente GRIN se construye utilizando una placa de NIM con un índice de refracción variable en la dirección y, perpendicular a la dirección de propagación z. [60]
En 2005, un grupo propuso una forma teórica de superar la limitación del campo cercano utilizando un nuevo dispositivo denominado superlente de campo lejano (FSL), que es una superlente basada en una placa metálica corrugada periódicamente y diseñada adecuadamente. [61]
Se demostró experimentalmente la obtención de imágenes en el campo lejano, lo que supone un paso más después de los experimentos en el campo cercano. El elemento clave se denomina superlente de campo lejano (FSL), que consta de una superlente convencional y un acoplador a escala nanométrica. [62]
Se presenta un enfoque de microondas en longitudes de onda inferiores utilizando un espejo de inversión temporal colocado en el campo lejano y una distribución aleatoria de dispersores colocados en el campo cercano del punto de enfoque. [63]
Una vez demostrada la capacidad de generar imágenes de campo cercano, el siguiente paso fue proyectar una imagen de campo cercano en el campo lejano. Este concepto, que incluye la técnica y los materiales, se denomina "hiperlente". [64] [65]
En mayo de 2012, los cálculos mostraron que se puede crear una hiperlente ultravioleta (1200-1400 THz) utilizando capas alternas de nitruro de boro y grafeno . [66]
En febrero de 2018, se introdujo una hiperlente de infrarrojo medio (~5–25 μm), hecha de una multicapa de arseniuro de indio dopado de forma variable , que ofrecía pérdidas drásticamente menores. [67]
A continuación se muestra la capacidad de una hiperlente metamaterial para obtener imágenes con límites de subdifracción.
En el caso de las lentes ópticas convencionales, el campo lejano es un límite demasiado lejano para que las ondas evanescentes lleguen intactas. Al obtener imágenes de un objeto, esto limita la resolución óptica de las lentes al orden de la longitud de onda de la luz. Estas ondas que no se propagan llevan información detallada en forma de alta resolución espacial y superan las limitaciones. Por lo tanto, la proyección de detalles de la imagen, normalmente limitados por la difracción en el campo lejano, requiere la recuperación de las ondas evanescentes. [68]
En esencia, los pasos que condujeron a esta investigación y demostración fueron el empleo de un metamaterial anisotrópico con una dispersión hiperbólica . El efecto fue tal que las ondas evanescentes ordinarias se propagan a lo largo de la dirección radial del metamaterial estratificado. A nivel microscópico, las ondas de gran frecuencia espacial se propagan a través de excitaciones de plasmones superficiales acoplados entre las capas metálicas. [68]
En 2007, se empleó un metamaterial anisotrópico como hiperlente óptica de aumento . La hiperlente consistía en una pila periódica curva de plata y alúmina delgadas (de 35 nanómetros de espesor) depositadas sobre una cavidad semicilíndrica y fabricadas sobre un sustrato de cuarzo. Las permitividades radial y tangencial tienen signos diferentes. [68]
Al iluminarse, el campo evanescente disperso del objeto entra en el medio anisotrópico y se propaga a lo largo de la dirección radial. Combinado con otro efecto del metamaterial, se produce una imagen ampliada en el límite de difracción exterior de la hiperlente. Una vez que la característica ampliada es más grande que (más allá de) el límite de difracción, se puede obtener una imagen con un microscopio óptico convencional, demostrando así la ampliación y proyección de una imagen sublimitada por difracción en el campo lejano. [68]
La hiperlente magnifica el objeto transformando las ondas evanescentes dispersas en ondas que se propagan en el medio anisotrópico, proyectando una imagen de alta resolución espacial en el campo lejano. Este tipo de lente basada en metamateriales, emparejada con una lente óptica convencional, es capaz de revelar patrones demasiado pequeños para ser discernidos con un microscopio óptico común. En un experimento, la lente pudo distinguir dos líneas de 35 nanómetros grabadas a 150 nanómetros de distancia. Sin los metamateriales, el microscopio mostró solo una línea gruesa. [14]
En un experimento de control, se obtuvo una imagen del objeto del par de líneas sin la hiperlente. El par de líneas no se pudo resolver debido a que el límite de difracción de la apertura (óptica) estaba limitado a 260 nm. Debido a que la hiperlente admite la propagación de un espectro muy amplio de vectores de onda, puede magnificar objetos arbitrarios con una resolución inferior a la limitada por la difracción. [68]
Aunque este trabajo parece limitado por tratarse únicamente de una hiperlente cilíndrica , el siguiente paso es diseñar una lente esférica . Esa lente exhibirá capacidad tridimensional. La microscopía óptica de campo cercano utiliza una punta para escanear un objeto. Por el contrario, esta hiperlente óptica magnifica una imagen que está limitada por la subdifracción. La imagen magnificada por subdifracción se proyecta luego en el campo lejano. [14] [68]
La hiperlente óptica muestra un potencial notable para aplicaciones como la obtención de imágenes biomoleculares en tiempo real y la nanolitografía. Una lente de este tipo podría utilizarse para observar procesos celulares que hasta ahora no se habían podido ver. Por el contrario, podría utilizarse para proyectar una imagen con características extremadamente finas sobre una fotorresistencia como primer paso en la fotolitografía, un proceso utilizado para fabricar chips informáticos. La hiperlente también tiene aplicaciones para la tecnología de DVD. [14] [68]
En 2010, se demostró experimentalmente una hiperlente esférica para imágenes bidimensionales en frecuencias visibles. La hiperlente esférica se basaba en óxido de plata y titanio en capas alternas y tenía una fuerte dispersión hiperbólica anisotrópica que permitía una superresolución con espectro visible. La resolución era de 160 nm en el espectro visible. Permitirá la obtención de imágenes biológicas a nivel celular y de ADN, con un gran beneficio de magnificar la resolución de subdifracción en el campo lejano. [69]
En 2007, los investigadores demostraron la superimagen utilizando materiales que crean un índice de refracción negativo y se logra un efecto lente en el rango visible. [46]
Se necesitan mejoras continuas en la microscopía óptica para mantenerse al día con el progreso en nanotecnología y microbiología . El avance en la resolución espacial es clave. La microscopía óptica convencional está limitada por un límite de difracción que es del orden de 200 nanómetros (longitud de onda). Esto significa que los virus , las proteínas, las moléculas de ADN y muchas otras muestras son difíciles de observar con un microscopio (óptico) regular. La lente demostrada previamente con material de índice de refracción negativo, una superlente plana delgada, no proporciona un aumento más allá del límite de difracción de los microscopios convencionales. Por lo tanto, las imágenes más pequeñas que el límite de difracción convencional seguirán sin estar disponibles. [46]
Otro método para lograr una superresolución en longitudes de onda visibles es la hiperlente esférica desarrollada recientemente, basada en capas alternas de óxido de plata y titanio. Tiene una fuerte dispersión hiperbólica anisotrópica que permite una superresolución al convertir las ondas evanescentes en ondas que se propagan. Este método es una imagen de superresolución no basada en fluorescencia, que da como resultado imágenes en tiempo real sin ninguna reconstrucción de imágenes e información. [69]
En 2008 se superó el límite de difracción y se lograron resoluciones de imágenes laterales de 20 a 50 nm mediante varias técnicas de microscopía de campo lejano de "súper resolución", incluidas la microscopía de agotamiento de emisión estimulada (STED) y su microscopía relacionada RESOLFT (transiciones fluorescentes ópticamente lineales saturables reversibles); microscopía de iluminación estructurada saturada (SSIM); microscopía de reconstrucción óptica estocástica (STORM); microscopía de localización fotoactivada (PALM); y otros métodos que utilizan principios similares. [70]
Esto comenzó con una propuesta de Pendry en 2003. Para ampliar la imagen se requería un nuevo concepto de diseño en el que la superficie de la lente refractora negativa se curva. Un cilindro toca a otro cilindro, lo que da como resultado una lente cilíndrica curva que reproduce el contenido del cilindro más pequeño de forma ampliada pero sin distorsión fuera del cilindro más grande. Se requieren transformaciones de coordenadas para curvar la lente perfecta original en la estructura de lente cilíndrica. [71]
En 2005, se publicó una prueba conceptual y matemática de 36 páginas que demostraba que la superlente cilíndrica funciona en el régimen cuasiestático . En primer lugar, se analiza el debate sobre la lente perfecta. [72]
En 2007, se volvió a tratar una superlente que utiliza la transformación de coordenadas. Sin embargo, además de la transferencia de imágenes, se analizaron otras operaciones útiles: traslación, rotación, duplicación e inversión, así como el efecto superlente. Además, se describen elementos que realizan la ampliación, que están libres de aberraciones geométricas, tanto en el lado de entrada como en el de salida, mientras que utilizan la fuente de espacio libre (en lugar de la guía de ondas). Estos elementos de ampliación también funcionan en el campo cercano y lejano, transfiriendo la imagen del campo cercano al campo lejano. [73]
La superlente de aumento cilíndrica fue demostrada experimentalmente en 2007 por dos grupos, Liu et al. [68] y Smolyaninov et al. [46] [74].
Un trabajo realizado en 2007 demostró que una matriz cuasiperiódica de nanoagujeros, en una pantalla metálica , era capaz de concentrar la energía óptica de una onda plana para formar puntos de longitud de onda inferior (puntos calientes). Las distancias de los puntos eran de unas pocas decenas de longitudes de onda en el otro lado de la matriz o, en otras palabras, opuesto al lado de la onda plana incidente . La matriz cuasiperiódica de nanoagujeros funcionaba como un concentrador de luz. [75]
En junio de 2008, se demostró la capacidad de un conjunto de nanoagujeros cuasicristalinos en una pantalla metálica. Más que concentrar puntos calientes, se muestra una imagen de la fuente puntual a unas pocas decenas de longitudes de onda del conjunto, en el otro lado del conjunto (el plano de la imagen). Además, este tipo de conjunto exhibió un desplazamiento lineal de 1 a 1, desde la ubicación de la fuente puntual hasta su respectiva ubicación paralela en el plano de la imagen. En otras palabras, de x a x + δx. Por ejemplo, otras fuentes puntuales se desplazaron de manera similar de x' a x' + δx', de x^ a x^ + δx^, y de x^^ a x^^ + δx^^, y así sucesivamente. En lugar de funcionar como un concentrador de luz, esto realiza la función de imágenes de lentes convencionales con una correspondencia de 1 a 1, aunque con una fuente puntual. [75]
Sin embargo, la resolución de estructuras más complicadas se puede lograr mediante construcciones de múltiples fuentes puntuales. Los detalles finos y la imagen más brillante que normalmente se asocian con las altas aperturas numéricas de las lentes convencionales se pueden producir de manera confiable. Las aplicaciones notables para esta tecnología surgen cuando la óptica convencional no es adecuada para la tarea en cuestión. Por ejemplo, esta tecnología es más adecuada para imágenes de rayos X o circuitos nano-ópticos , etc. [75]
En 2010, se fabricó y probó un prototipo de matriz de nanocables, descrito como una nanolente metamaterial tridimensional (3D), que consiste en nanocables a granel depositados en un sustrato dieléctrico . [76] [77]
La nanolente metamaterial se construyó con millones de nanocables de 20 nanómetros de diámetro. Estos se alinearon con precisión y se les aplicó una configuración empaquetada. La lente es capaz de representar una imagen clara y de alta resolución de objetos de tamaño nanométrico porque utiliza tanto la radiación electromagnética de propagación normal como las ondas evanescentes para construir la imagen. Se demostró la obtención de imágenes de súper resolución a una distancia de 6 veces la longitud de onda (λ), en el campo lejano, con una resolución de al menos λ/4. Esto es una mejora significativa con respecto a la investigación previa y la demostración de otras imágenes de campo cercano y campo lejano, incluidas las matrices de nanoagujeros que se analizan a continuación. [76] [77]
2009–12. Se analizan teóricamente las propiedades de transmisión de luz de películas metálicas perforadas en el límite metamaterial, donde la longitud unitaria de las estructuras periódicas es mucho menor que la longitud de onda operativa. [78]
En teoría, parece posible transportar una imagen electromagnética compleja a través de un pequeño orificio de sublongitud de onda con un diámetro considerablemente menor que el diámetro de la imagen, sin perder los detalles de sublongitud de onda. [79]
Al observar los procesos complejos que se producen en una célula viva, es fácil pasar por alto procesos (cambios) o detalles significativos. Esto puede ocurrir con mayor facilidad cuando se observan cambios que tardan mucho tiempo en desarrollarse y que requieren imágenes de alta resolución espacial. Sin embargo, investigaciones recientes ofrecen una solución para examinar las actividades que ocurren durante horas o incluso días dentro de las células, lo que podría resolver muchos de los misterios asociados con los eventos a escala molecular que ocurren en estos diminutos organismos. [80]
Un equipo de investigación conjunto, que trabaja en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y el Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas (NIAID), ha descubierto un método para utilizar nanopartículas para iluminar el interior celular y revelar estos procesos lentos. Las nanopartículas, miles de veces más pequeñas que una célula, tienen una variedad de aplicaciones. Un tipo de nanopartícula llamada punto cuántico brilla cuando se expone a la luz. Estas partículas semiconductoras pueden recubrirse con materiales orgánicos, que están diseñados para ser atraídos por proteínas específicas dentro de la parte de una célula que un científico desea examinar. [80]
Cabe destacar que los puntos cuánticos duran más que muchos tintes orgánicos y proteínas fluorescentes que se usaban anteriormente para iluminar el interior de las células. También tienen la ventaja de monitorear cambios en los procesos celulares, mientras que la mayoría de las técnicas de alta resolución, como la microscopía electrónica, solo brindan imágenes de procesos celulares congelados en un momento. Usando puntos cuánticos, los procesos celulares que involucran los movimientos dinámicos de las proteínas son observables (esclarecidos). [80]
La investigación se centró principalmente en caracterizar las propiedades de los puntos cuánticos, comparándolas con otras técnicas de obtención de imágenes. En un ejemplo, los puntos cuánticos se diseñaron para apuntar a un tipo específico de proteína de glóbulos rojos humanos que forma parte de una estructura de red en la membrana interna de la célula. Cuando estas proteínas se agrupan en una célula sana, la red proporciona flexibilidad mecánica a la célula para que pueda pasar a través de capilares estrechos y otros espacios reducidos. Pero cuando la célula se infecta con el parásito de la malaria, la estructura de la proteína de red cambia. [80]
Como el mecanismo de agrupamiento no se entiende bien, se decidió examinarlo con los puntos cuánticos. Si se pudiera desarrollar una técnica para visualizar el agrupamiento, se podría entender el progreso de una infección de malaria, que tiene varias etapas de desarrollo distintas. [80]
Los estudios han revelado que, a medida que las proteínas de membrana se agrupan, los puntos cuánticos unidos a ellas se agrupan y brillan con más intensidad, lo que permite una observación en tiempo real a medida que avanza la agrupación de proteínas. En términos más generales, la investigación ha descubierto que, cuando los puntos cuánticos se adhieren a otros nanomateriales, sus propiedades ópticas cambian de forma única en cada caso. Además, se ha descubierto que las propiedades ópticas de los puntos cuánticos se alteran a medida que cambia el entorno a escala nanométrica, lo que ofrece una mayor posibilidad de utilizar puntos cuánticos para detectar el entorno bioquímico local dentro de las células. [80]
Aún quedan algunas dudas sobre la toxicidad y otras propiedades. Sin embargo, los hallazgos generales indican que los puntos cuánticos podrían ser una herramienta valiosa para investigar los procesos celulares dinámicos. [80]
El resumen del artículo de investigación publicado relacionado dice (en parte): Se presentan resultados sobre las propiedades de fluorescencia dinámica de nanocristales bioconjugados o puntos cuánticos (QD) en diferentes entornos químicos y físicos. Se preparó y comparó una variedad de muestras de QD: QD individuales aislados, agregados de QD y QD conjugados con otros materiales a escala nanométrica...
Este artículo incorpora material de dominio público del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.
