Una superlente , o superlente , 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 finura de su resolución dependiendo de la longitud de onda de la iluminación y la apertura numérica (NA) de la lente del 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 limitaciones y obstáculos. [1]
En 1873, Ernst Abbe informó que las lentes convencionales son incapaces de capturar algunos detalles finos de una imagen determinada. La superlente está destinada a capturar esos 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 diminutos procesos de las proteínas celulares que se mueven junto a los microtúbulos de una célula viva en su entorno natural. Además, se siguen fabricando chips de ordenador y la microelectrónica interrelacionada a escalas cada vez más pequeñas. Esto requiere equipos ópticos especializados , que además están limitados 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 microelectrónica y chips de computadora aún más pequeños. [2] [3] [4] [5]
Las lentes convencionales capturan sólo las ondas de luz que se propagan . Son ondas que viajan desde una fuente de luz o un objeto hasta una lente o el ojo humano. Alternativamente, esto se puede estudiar como el campo lejano . Por el contrario, una superlente captura ondas de luz que se propagan y ondas que permanecen en la superficie de un objeto, que, alternativamente, puede estudiarse tanto en el campo lejano como en el campo cercano . [6] [7]
A principios del siglo XX , Dennis Gabor utilizó el término "superlente" para describir algo bastante diferente: un sistema compuesto de matriz de lentes. [8]
Una imagen de un objeto se puede definir como una representación tangible o visible de las características de ese objeto. Un requisito para la formación de imágenes 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 generarse una nueva clase de imagen. [9]
La litografía por haz de electrones puede superar este límite de resolución . La microscopía óptica, en cambio, no puede, estando limitada a algún 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 (consulte las secciones siguientes).
Una definición de estar limitado por la barrera de resolución es una resolución cortada 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 mitad de camino, 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 límite de resolución, o límite óptico de microscopía , que se tabula en 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 inferiores a 200 nanómetros. Por esta razón, los sistemas ópticos convencionales, como los microscopios , no han podido visualizar con precisión 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 brillante ) residen en tres áreas:
En particular, las células biológicas vivas 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 tintes selectivos , pero muchas veces esto implica matar y fijar la muestra. La tinción también puede introducir artefactos , detalles estructurales aparentes que son causados por el procesamiento del espécimen y, por lo tanto, no son una característica legítima del espécimen.
La lente de cristal convencional está omnipresente 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 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]
Así, cuando un objeto emite o refleja luz existen dos tipos de radiación electromagnética asociada a este fenómeno . Éstas son la radiación de campo cercano y la radiación de campo lejano . Como lo 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, no se observan detalles de resolución útiles (del tamaño de un nanómetro), porque están ocultos en el campo cercano. Permanecen localizados, mucho más cerca del objeto emisor de luz, incapaces de viajar y no pueden ser capturados por la lente convencional. El control de la radiación del campo cercano, para lograr 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 mayor. Esto ha dado lugar a propiedades y respuestas novedosas que permiten detalles de las imágenes que superan las limitaciones impuestas por la longitud de onda de la luz. [10]
Esto ha llevado al deseo de ver las interacciones de células biológicas vivas en un entorno natural en tiempo real y a la necesidad de obtener 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 (consulte la discusión en las secciones anteriores). Es decir, 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 microscopía óptica (sublongitud de onda) se pueden diseñar para el nivel celular y, en principio, para el 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 nanoescala ) que eran demasiado pequeños para ser observados con un microscopio óptico común. Esto tiene aplicaciones potenciales no sólo para observar una célula viva completa, o para observar procesos celulares , como cómo las proteínas y las grasas entran y salen de las células. En el ámbito tecnológico , podría utilizarse para mejorar los primeros pasos de la fotolitografía y la nanolitografía , esenciales para fabricar chips informáticos cada vez más pequeños . [4] [11]
El enfoque en longitudes inferiores a las de onda se ha convertido en una técnica de imagen única que permite la visualización de 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. Aunque antes se pensaba que era físicamente imposible, la obtención de imágenes por debajo de la longitud de onda ha sido posible gracias al desarrollo de metamateriales. Esto generalmente se logra usando una capa de metal como oro o plata de unos pocos átomos de espesor, que actúa como una superlente, o mediante cristales fotónicos 1D y 2D . [12] [13] Existe una interacción sutil entre las ondas que se propagan, las ondas evanescentes, las imágenes de campo cercano y las imágenes de campo lejano que se analizan en las secciones siguientes. [4] [14]
Las lentes metamateriales ( superlentes ) son capaces de reconstruir imágenes de tamaño nanométrico produciendo un índice de refracción negativo en cada caso. Esto compensa las ondas evanescentes que decaen rápidamente. Antes de los metamateriales, se habían propuesto e incluso demostrado muchas otras técnicas para crear microscopía de superresolución . Ya en 1928, al físico irlandés Edward Hutchinson Synge se le atribuye 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 de 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 tienen como objetivo resolver ópticamente características que tienen dimensiones mucho más pequeñas que las de la longitud de onda del vacío de la luz expuesta. [19] [20] En 1981 se demostraron dos técnicas diferentes de obtención de imágenes por contacto de patrones metálicos submicroscópicos planos (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 que tenía 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 se diseñó para crear características a escala nanométrica. La investigación sobre esta tecnología continuó cuando apareció el primer metamaterial de índice negativo demostrado experimentalmente en 2000-2001. 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 de impresión tiene ventajas deseables para la investigación y la tecnología a escala nanométrica. [19] [22]
La fotolitografía UV profunda avanzada ahora puede ofrecer una resolución inferior a 100 nm, aunque el tamaño mínimo de la característica y el espacio 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 cambio 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 EM que emana de una fuente consiste tanto en ondas que se propagan como en 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 propagantes y evanescentes, que avanzan paralelas 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 lleva al límite de difracción para enfocar una imagen. [24]
Una superlente es una lente capaz de obtener imágenes por debajo de la longitud de onda, lo que permite ampliar los rayos del 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 obtención 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 losa de material con un índice de refracción negativo a modo de lente plana . En teoría, una lente perfecta sería capaz de lograr un enfoque perfecto , lo que significa que podría reproducir perfectamente el campo electromagnético del plano 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. Considere 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 del 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 real son transmitidos y reenfocados por una lente ordinaria. Sin embargo, si
luego 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 longitud de onda:
Una superlente supera el límite. Una superlente tipo Pendry tiene un índice de n = −1 (ε=−1, μ=−1), y en tal material, el transporte de energía en la dirección + z requiere que la componente z del vector de onda tenga valores opuestos. firmar:
Para frecuencias angulares grandes, la onda evanescente ahora crece , por lo que con el espesor de lente adecuado, todos los componentes del espectro angular pueden transmitirse a través de la lente sin distorsiones. No hay problemas con la conservación de la energía , ya que las ondas evanescentes no transportan ninguna en la dirección del crecimiento: el vector de Poynting está orientado perpendicularmente a la dirección del crecimiento. Para ondas viajeras dentro de una lente perfecta, el vector de Poynting apunta en dirección opuesta a la velocidad de fase. [3]
Normalmente, cuando una onda pasa por la interfaz de dos materiales, la onda aparece en el lado opuesto de la normal . Sin embargo, si la interfaz es 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 decaen 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 por debajo de la longitud de onda. [25]
Hubo un tiempo en que se pensaba que la construcción de superlentes era imposible. En 2000, Pendry afirmó que una simple losa de material zurdo haría el trabajo. [26] Sin embargo, la realización experimental de una lente de este tipo tomó algo más de tiempo, porque no es tan fácil fabricar metamateriales con permitividad y permeabilidad negativas . De hecho, tal material no existe 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 la 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 las superlentes 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 decadencia de las ondas y reconstruía imágenes en el campo cercano. Tanto las ondas propagadas como las evanescentes podrían contribuir a la resolución de la imagen. [1] [23] [29]
Pendry también sugirió que una lente que tuviera solo un parámetro negativo formaría una superlente aproximada, siempre que las distancias involucradas también sean 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 en la longitud de onda de operación prevista (356 nm). En 2003, la teoría de Pendry se demostró por primera vez experimentalmente [13] en frecuencias de RF/microondas. En 2005, dos grupos independientes verificaron la lente de Pendry en el rango UV, ambos utilizando finas capas de plata iluminadas con luz ultravioleta 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 serie de cables conductores paralelos. [33] Se demostró que esta estructura puede mejorar la resolución de las imágenes de 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 fina película de plata para mejorar los modos evanescentes mediante el acoplamiento de plasmones superficiales . [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 avances 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] El rendimiento de imágenes de tales lentes de losa con constante dieléctrica negativa isotrópica también se analizó con respecto al material y el espesor de la losa. [40] También se han estudiado las oportunidades de obtención de imágenes por debajo de la longitud de onda con lentes anisotrópicas uniaxiales planas, donde los componentes del tensor dieléctrico son de signo opuesto, en función de los parámetros de la estructura. [41]
La superlente aún no se ha demostrado en frecuencias visibles o infrarrojas cercanas (Nielsen, RB; 2010). Además, al ser materiales dispersivos, se limitan a funcionar a una única longitud de onda. Las soluciones propuestas son compuestos metal-dieléctricos (MDC) [42] y estructuras de lentes multicapa. [43] La superlente multicapa parece tener una mejor resolución de sublongitud de onda que la superlente de una sola capa. Las pérdidas son una preocupación menor con el sistema multicapa, pero hasta ahora parece poco práctico debido a la falta de coincidencia de impedancias . [35]
Si bien la evolución de las técnicas de nanofabricación continúa superando 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 por debajo de la longitud de onda de lentes multicapa con pilas de aislantes metálicos. [44]
Cuando se observa el mundo a través de lentes convencionales, la nitidez de la imagen está determinada y limitada a la longitud de onda de la luz. Alrededor del año 2000, se teorizó que una losa de metamaterial de índice negativo crearía una lente con capacidades más allá de las lentes convencionales ( índice positivo ). Pendry propuso que una delgada losa 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 propagante como el evanescente. [1] [45]
Se propuso una losa de plata como metamaterial. Más específicamente, dicha 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 losa plana de metamaterial DNG , las ondas evanescentes que normalmente decaen se amplifican por el contrario . Además, como las ondas evanescentes ahora se amplifican, la fase se invierte. [1]
Por ello, se propuso un tipo de lente, compuesta por un metamaterial de película metálica. Cuando se ilumina cerca de su frecuencia de plasma , la lente podría usarse para obtener imágenes de superresolución que compensen la decadencia de las ondas y reconstruyan 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 losas para zurdos permiten "imágenes perfectas" si no tienen ninguna pérdida, tienen la impedancia igualada 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 imágenes que no está limitada por la longitud de onda, sino por la calidad del material. [1] [46] [47] [48]
Investigaciones adicionales demostraron que la teoría de Pendry detrás de la lente perfecta no era exactamente correcta. El análisis del enfoque del espectro evanescente (ecuaciones 13 a 21 en la referencia [1] ) fue defectuoso. Además, esto se aplica sólo a un caso (teórico), y ese es un medio particular que no tiene pérdidas, no es dispersivo y los 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 resulta en un punto focal convergente dentro de la losa y otra convergencia (punto focal) más allá de la losa 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, en general no existe el efecto de lente perfecto. Según las simulaciones del FDTD de la época (2001), la losa de DNG actúa como un convertidor de una onda cilíndrica pulsada a una viga pulsada. Además, en 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 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 mostró que era un error al utilizar como sujeto el DNG sin pérdidas y sin dispersión. Este análisis demostró matemáticamente que las sutilezas de las ondas evanescentes, la restricción a una losa 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 afirmaba que la absorción , que está ligada 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] para confirmar la viabilidad del concepto fundamental de lente perfecta. Además, se pensó que esta demostración era una prueba experimental de que un metamaterial DNG plano 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 lentes perfecta sin pérdidas tampoco es práctica y puede dar lugar a interpretaciones paradójicas. [24]
Se determinó que, aunque los plasmones de superficie 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 del metamaterial tiene un efecto significativo en la recuperación de tipos de componentes evanescentes. Además, con las tecnologías actuales es posible lograr una resolución por debajo de la longitud de onda . Se han demostrado índices de refracción negativos en metamateriales estructurados. Dichos materiales pueden diseñarse para que tengan parámetros de material ajustables y así lograr las condiciones óptimas. Las pérdidas hasta las frecuencias de microondas se pueden minimizar en estructuras que utilizan elementos superconductores . Además, la consideración de estructuras alternativas puede conducir a configuraciones de materiales zurdos que pueden lograr un enfoque por debajo de la longitud de onda. En aquella época se estaban estudiando estructuras de este tipo. [24]
Recientemente se ha propuesto un enfoque eficaz para compensar las pérdidas en metamateriales, denominado esquema de inyección de plasmones. [51] El esquema de inyección de plasmón se ha aplicado teóricamente a lentes planas imperfectas de índice negativo 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 imperfectas de índice negativo asistidas con un esquema de inyección de plasmón pueden permitir imágenes de subdifracción de objetos que de otro modo no serían posibles debido a las pérdidas y el ruido. Aunque el esquema de inyección de plasmones 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 pérdida en el metamaterial con un campo auxiliar externo adecuadamente estructurado. Este campo auxiliar tiene en cuenta las pérdidas en el metamaterial y, 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 plasmón se puede implementar físicamente [53] o de manera equivalente mediante un 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 ganancia media, no linealidad ni interacción con fonones. La demostración experimental del esquema de inyección de plasmones aún no se ha realizado, 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. 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 pasar de 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 eficaz formado por una pila de múltiples capas, que presenta birrefringencia , n 2 =∞, n x =0. Los índices de refracción efectivos son entonces perpendiculares y paralelos , respectivamente. [55]
Como una lente convencional, la dirección z está a lo largo del eje del rollo. La frecuencia de resonancia (w 0 ), cercana a 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 losa, la información de la imagen se transporta a través de cada capa. Esto fue demostrado experimentalmente. Para probar el rendimiento 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 obtención de imágenes. Se colocó en posición horizontal y encima se colocó el material, compuesto por 271 rollos suizos sintonizados a 21,5 MHz. De hecho, el material actúa 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 del 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. Esto permite una manipulación casi independiente del campo eléctrico con la permitividad y del campo magnético con la permeabilidad. [55]
Además, este es un sistema altamente anisotrópico . Por lo tanto, los componentes transversales (perpendiculares) del campo EM que irradian 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 debe transferirse desde la cara de entrada a la de salida de una losa de material sin degradación de la información de la imagen. [55]
En 2003, un grupo de investigadores demostró que las ondas ópticas evanescentes mejorarían al pasar a través de una lente de metamaterial plateado. A esto se le llamó lente libre de difracción. Aunque no se pretendió 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 produciendo estados excitados en las superficies de la interfaz . Sin embargo, el uso de plasmones de superficie para reconstruir componentes evanescentes no se intentó hasta la reciente propuesta de Pendry (ver " Lente perfecta " más arriba). Al estudiar películas de espesor variable se ha observado que , en las condiciones apropiadas, se produce un coeficiente de transmisión que aumenta rápidamente. 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 losa de plata más delgada (35 nm) fue mejor para obtener imágenes limitadas por subdifracción, lo que da como resultado una sexta parte de la longitud de onda de la iluminación. Este tipo de lente se utilizó para compensar la decadencia de las ondas y reconstruir imágenes en el campo cercano. Los intentos anteriores de crear una superlente funcional utilizaron una losa de plata que era demasiado gruesa. [23] [46]
Se tomaron imágenes de objetos de hasta 40 nm de diámetro. En 2005, el límite de resolución de imágenes para microscopios ópticos era aproximadamente una décima parte del diámetro de un glóbulo rojo . Con las superlentes plateadas 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 que emiten todos los objetos y luego doblándolas. 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 pasan a formar 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 que se propagan son transmitidos (por el material óptico) desde una fuente de luz. [23] Los componentes que no se propagan, 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 las imágenes punto por punto de longitud de onda inferior de la microscopía electrónica también tienen limitaciones en comparación con el potencial de una superlente funcional. Actualmente se utilizan microscopios electrónicos de barrido y de fuerza atómica para capturar detalles de hasta unos pocos nanómetros. Sin embargo, estos microscopios crean imágenes escaneando objetos punto por punto, lo que significa que normalmente se limitan 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 sus mitocondrias. Con una superlente, los microscopios ópticos algún día podrían revelar los movimientos de las 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 cuadro completo con una sola instantánea en una fracción de segundo. Con las superlentes, esto abre la posibilidad de obtener imágenes a nanoescala de materiales vivos, lo que puede ayudar a los biólogos a comprender mejor la estructura y el funcionamiento de las células en tiempo real. [23]
Los avances del acoplamiento magnético en el régimen de THz e infrarrojo proporcionaron la realización de una posible superlente metamaterial. Sin embargo, en el campo cercano, las respuestas eléctrica y magnética de los materiales están desacopladas. Por lo tanto, para las ondas magnéticas transversales (TM), solo es necesario considerar la permitividad. Los metales nobles se convierten entonces en selecciones naturales para la superlente porque la permitividad negativa se logra fácilmente. [23]
Al diseñar la delgada losa de metal de modo que las oscilaciones de la corriente superficial (los plasmones superficiales) coincidan con las ondas evanescentes del objeto, la superlente puede mejorar sustancialmente la amplitud del campo. La superlente resulta de la mejora de ondas evanescentes por parte de plasmones superficiales. [23] [56]
La clave de la superlente es su capacidad para 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 todavía capaz de reconstituir completamente todas las ondas evanescentes emitidas por un objeto, por lo que persistirá el objetivo de una imagen 100 por ciento perfecta. 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 atraviesan cualquier material conocido. En comparación, la imagen con superlente es sustancialmente mejor que la creada sin la superlente plateada. [23]
En febrero de 2004, un sistema de enfoque de radiación electromagnética, basado en una placa de metamaterial de índice negativo, logró obtener imágenes por debajo de la longitud de onda 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 submicrométricas de campo cercano. No se logró una resolución súper alta, pero así se pretendía. La capa de plata era demasiado espesa para permitir mejoras significativas de los componentes del campo evanescente. [30]
A principios de 2005, la resolución de las características se logró con una capa de plata diferente. Aunque esta no era una imagen real, era intencionada. Se produjo una resolución densa de hasta 250 nm en un fotorresistente de 50 nm de espesor utilizando iluminación de una lámpara de mercurio . Utilizando simulaciones ( FDTD ), el estudio señaló que se podían esperar mejoras en la resolución de las imágenes a través de lentes plateadas, en lugar de otro método de imágenes de campo cercano. [59]
Sobre la base de esta investigación previa, se logró una súper resolución en frecuencias ópticas utilizando una capa plana de plata de 50 nm. La capacidad de resolver una imagen más allá del límite de difracción, para imágenes de campo lejano , se define aquí como superresolución. [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 enormemente mediante el uso de capas espaciadoras y de plata más delgadas y mediante la reducción de la rugosidad de la superficie de la pila de lentes. La capacidad de las lentes plateadas 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 (campo lejano) para obtener imágenes de un objeto periódico; en este caso, la imagen es una difracción. rejilla. Para iluminación de incidencia normal, el período espacial mínimo que se puede resolver con una longitud de onda λ a través de un medio con 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 cuán buena sea la resistencia a la imagen. [30]
La pila de (súper) lentes produce aquí un resultado computacional de 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) están bien resueltas. [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 da una confirmación experimental de la propuesta de superlente de Pendry. [30]
Índice de gradiente (GRIN): la gama más amplia de respuesta del material disponible en los metamateriales debería conducir a un mejor diseño de lentes GRIN. En particular, dado que la permitividad y permeabilidad de un metamaterial se pueden ajustar de forma independiente, las lentes GRIN de metamaterial presumiblemente pueden adaptarse mejor al espacio libre. La lente GRIN se construye utilizando una losa 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 losas metálicas periódicamente corrugadas y diseñada adecuadamente. [61]
La obtención de imágenes se demostró experimentalmente en el campo lejano, dando el siguiente paso después de los experimentos de campo cercano. El elemento clave se denomina superlente de campo lejano (FSL), que consta de una superlente convencional y un acoplador a nanoescala. [62]
Se presenta un enfoque para el enfoque de microondas por debajo de la longitud de onda utilizando un espejo de inversión de tiempo colocado en el campo lejano y una distribución aleatoria de dispersores colocados en el campo cercano del punto de enfoque. [63]
Una vez que se demostró la capacidad de obtener imágenes de campo cercano, el siguiente paso fue proyectar una imagen de campo cercano en el campo lejano. Este concepto, que incluye técnica y 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 dopada de forma variable , que ofrecía pérdidas drásticamente menores. [67]
A continuación se muestra la capacidad de una hiperlente metamaterial para obtener imágenes limitadas por subdifracción.
Con las lentes ópticas convencionales, el campo lejano es un límite demasiado lejano para que las ondas evanescentes lleguen intactas. Al tomar 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 transportan información detallada en forma de alta resolución espacial y superan las limitaciones. Por lo tanto, proyectar 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 en capas. A nivel microscópico, las grandes ondas de frecuencia espacial se propagan a través de excitaciones de plasmones superficiales acopladas 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 fina y alúmina (de 35 nanómetros de espesor) depositada en una cavidad semicilíndrica y fabricada sobre un sustrato de cuarzo. Las permitividades radial y tangencial tienen diferentes signos. [68]
Tras la iluminación, el campo evanescente disperso del objeto ingresa al 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 exterior de difracción de la hiperlente. Una vez que la característica ampliada es mayor que (más allá) del límite de difracción, se puede obtener una imagen de ella con un microscopio óptico convencional, lo que demuestra la ampliación y la proyección de una imagen limitada por subdifracción 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. Por lo tanto, este tipo de lente basada en metamateriales, combinada 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 sólo una línea gruesa. [14]
En un experimento de control, se tomaron imágenes 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 ampliar objetos arbitrarios con una resolución limitada por subdifracción. [68]
Aunque este trabajo parece estar limitado por ser solo 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 de subdifracción ampliada se proyecta luego en el campo lejano. [14] [68]
La hiperlente óptica muestra un notable potencial para aplicaciones, como la nanolitografía y la obtención de imágenes biomoleculares en tiempo real. Una lente de este tipo podría utilizarse para observar procesos celulares que hasta ahora eran imposibles de ver. Por el contrario, podría usarse para proyectar una imagen con características extremadamente finas sobre un fotorresistente como primer paso en la fotolitografía, un proceso utilizado para fabricar chips de computadora. La hiperlente también tiene aplicaciones para la tecnología DVD. [14] [68]
En 2010, se demostró experimentalmente una hiperlente esférica para imágenes bidimensionales en frecuencias visibles. La hiperlente esférica se basaba en plata y óxido de titanio en capas alternas y tenía una fuerte dispersión hiperbólica anisotrópica que permitía una superresolución con el espectro visible. La resolución fue de 160 nm en el espectro visible. Permitirá obtener imágenes biológicas a nivel celular y de ADN, con el gran beneficio de ampliar la resolución de subdifracción en el campo lejano. [69]
En 2007, los investigadores demostraron una superimagen utilizando materiales que crean un índice de refracción negativo y se logran lentes en el rango visible. [46]
Se necesitan mejoras continuas en microscopía óptica para mantenerse al día con los avances en nanotecnología y microbiología . El avance en la resolución espacial es clave. La microscopía óptica convencional está limitada por un límite de difracción 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) normal. La lente demostrada anteriormente 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 enfoque que logra una superresolución en longitudes de onda visibles son las hiperlentes esféricas desarrolladas recientemente basadas en capas alternas de plata y óxido de titanio. Tiene una fuerte dispersión hiperbólica anisotrópica que permite una superresolución al convertir ondas evanescentes en ondas que se propagan. Este método es una imagen de superresolución basada en no 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 "superresolución", incluido el agotamiento de emisión estimulada (STED) y su relacionado RESOLFT (fluorescente ópticamente lineal reversible saturable). transiciones) microscopía; 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. Ampliar la imagen requería un nuevo concepto de diseño en el que la superficie de la lente que refracta negativamente está curvada. Un cilindro toca otro cilindro, lo que da como resultado una lente cilíndrica curva que reproduce el contenido del cilindro más pequeño en forma ampliada pero sin distorsiones fuera del cilindro más grande. Se requieren transformaciones de coordenadas para curvar la lente perfecta original en la estructura de lente cilíndrica. [71]
A esto le siguió en 2005 una prueba conceptual y matemática de 36 páginas de que la superlente cilíndrica funciona en régimen cuasiestático . Primero se analiza el debate sobre la lente perfecta. [72]
En 2007, el tema volvió a ser una superlente que utiliza transformación de coordenadas. Sin embargo, además de la transferencia de imágenes, se discutieron otras operaciones útiles; traslación, rotación, espejo e inversión, así como el efecto superlente. Además, se describen elementos que realizan ampliación, que están libres de aberraciones geométricas, tanto en el lado de entrada como en el de salida mientras utilizan fuente de espacio libre (en lugar de guía de ondas). Estos elementos de aumento también operan en el campo cercano y lejano, transfiriendo la imagen del campo cercano al 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 serie cuasi periódica de nanoagujeros, en una pantalla metálica , era capaz de enfocar la energía óptica de una onda plana para formar puntos de sublongitud de onda (puntos calientes). La distancia de los puntos era de unas pocas decenas de longitudes de onda en el otro lado de la matriz o, en otras palabras, en el lado opuesto de la onda plana incidente . La matriz cuasi periódica de nanoagujeros funcionó como un concentrador de luz. [75]
En junio de 2008, esto fue seguido por la capacidad demostrada de una serie 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 matriz exhibió un desplazamiento lineal de 1 a 1, desde la ubicación de la fuente puntual hasta su ubicación respectiva 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, realiza la función de una lente convencional con una correspondencia 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 las imágenes más brillantes que normalmente se asocian con las altas aperturas numéricas de las lentes convencionales se pueden producir de manera confiable. Las aplicaciones notables de 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 nanoópticos , etc. [75]
En 2010, se fabricó y probó un prototipo de matriz de nanocables, descrito como un metamaterial-nanolente 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 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 radiación EM de propagación normal como ondas evanescentes para construir la imagen. Se demostraron 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. Esta es una mejora significativa con respecto a investigaciones y demostraciones anteriores de otras imágenes de campo cercano y 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 del metamaterial, donde la unidad de longitud de las estructuras periódicas es mucho menor que la longitud de onda operativa. [78]
Teóricamente, parece posible transportar una imagen electromagnética compleja a través de un pequeño agujero sublongitud de onda con un diámetro considerablemente menor que el diámetro de la imagen, sin perder los detalles sublongitud de onda. [79]
Al observar los procesos complejos en una célula viva, es fácil pasar por alto procesos (cambios) o detalles significativos. Esto puede ocurrir más fácilmente cuando se observan cambios que tardan mucho en desarrollarse y 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, resolviendo potencialmente muchos de los misterios asociados con los eventos a escala molecular que ocurren en estos pequeños 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 de uso de nanopartículas para iluminar el interior celular y revelar estos procesos lentos. Las nanopartículas, miles de veces más pequeñas que una célula, tienen diversas 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]
En particular, los puntos cuánticos duran más que muchos tintes orgánicos y proteínas fluorescentes que se utilizaban 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 proporcionan imágenes de procesos celulares congelados en un momento. Mediante puntos cuánticos se pueden observar (aclarar) procesos celulares relacionados con los movimientos dinámicos de las proteínas. [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, se diseñaron puntos cuánticos 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 la red cambia. [80]
Como el mecanismo de agrupamiento no se comprende bien, se decidió examinarlo con puntos cuánticos. Si se pudiera desarrollar una técnica para visualizar la agrupación, entonces se podría entender el progreso de una infección de malaria, que tiene varias etapas de desarrollo distintas. [80]
Los esfuerzos de investigación revelaron que a medida que las proteínas de la membrana se agrupan, los puntos cuánticos adheridos a ellas son inducidos a agruparse y brillar más intensamente, lo que permite la observación en tiempo real a medida que avanza la agrupación de proteínas. En términos más generales, la investigación descubrió que cuando los puntos cuánticos se unen a otros nanomateriales, las propiedades ópticas de los puntos cambian de manera única en cada caso. Además, se descubrió evidencia de que las propiedades ópticas de los puntos cuánticos se alteran a medida que cambia el entorno a nanoescala, lo que ofrece una mayor posibilidad de utilizar puntos cuánticos para detectar el entorno bioquímico local dentro de las células. [80]
Quedan algunas preocupaciones 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 dinámicas de fluorescencia 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 nanoescala...
Este artículo incorpora material de dominio público del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.
