Investigadores argentinos crean un nanosistema que combina fotónica y plasmónica

“Crear un nanosistema es como formar a una buena cantante y además diseñar un teatro con la mejor acústica para su voz. Es decir, si la cantante está ubicada en el lugar adecuado, su voz va a sonar mucho mejor. Esto es lo mismo: podemos tener una nanopartícula capacitada para detectar moléculas o catalizar reacciones químicas, pero si la colocamos en la arquitectura adecuada, va a desempeñar mejor su función”, explica el decano del Instituto de Nanosistemas e investigador principal del CONICET Galo Soler Illia, uno de los coautores de la investigación publicada por la prestigiosa revista inglesa Journal of Material Chemistry C que puede consultarse aquí. 

“Lo que hicimos fue combinar el campo de la fotónica y la plasmónica, algo poco frecuente para la comunidad global de nanoóptica. Esta unión nos permitió generar un efecto de intensificación local del campo eléctrico (llamado efecto plasmón), amplificado por la arquitectura fotónica creada a su alrededor”, amplía Soler Illia para describir el nanosistema que creó junto con María Luz Martínez Ricci, investigadora del CONICET en INQUIMAE (Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires —UBA—); María Cecilia Fuertes, investigadora del CONICET en la Comisión Nacional de Energía Atómica —CNEA— y docente del Instituto Sabato; Martín Bellino, investigador del CONICET en la CNEA; Gustavo Giménez, del Instituto Nacional de Tecnología Industrial; y Rodrigo Martínez Gazoni, de la UBA, que se encuentra finalizando su doctorado en la Universidad de Cantebury (Nueva Zelanda).

“Para nosotros, la recepción que tuvo el artículo fue una gran satisfacción”, cuenta la física Martínez Ricci. “Se trata de un artículo que tiene muchos años de trabajo interdisciplinario por detrás: la síntesis controlada de nanopartículas de plata fue la tesis de Cecilia Fuertes (ingeniera en Materiales y doctora en Ciencia y Tecnología), dirigida por Soler Illia, y a ella se suma la tesis de la Licenciatura en Física de Rodrigo Martínez Gazoni, que dirigimos junto con Martín Bellino. El cruce de la física y la química dio lugar a este interesante trabajo que, más allá de las edades, involucra a tres generaciones de investigadores”, reflexiona.

“Es un trabajo muy visual y muy simple de hacer. Tiene un enfoque racional que permite planificar, calcular y comprender, y que lleva a aplicaciones en el mediano plazo”, detalla Soler Illía. “Además, es muy importante que haya sido una colaboración entre científicos de diferentes instituciones y de diferente formación técnica. Físicos, químicos e ingenieros trabajando en conjunto; ese es el espíritu de la nanotecnología actual que queremos fomentar en el INS”.

Plasmónica y fotónica 

La materia a escala nano presenta propiedades emergentes que difícilmente pueden ser anticipadas con los conocimientos disponibles. En este escenario, la plasmónica y la fotónica son dos campos muy interesantes que abren nuevas perspectivas en el manejo de la luz y de las propiedades del campo eléctrico de la materia en la nanoescala.

La plasmónica se ocupa de la interacción de la luz con los electrones de determinados materiales que están relativamente libres, como los metales. Esta interacción da lugar a colores únicos dados por la oscilación colectiva de los electrones en una nanopartícula. Esta técnica ha sido usada desde la antigüedad sin saber su justificativo teórico, como en la coloración de vidrios para su uso en la construcción de catedrales o la confección de vajilla con púrpura de Casio.

La fotónica es la ciencia y arte de direccionar la luz para que cumpla determinadas funciones. Un claro ejemplo se da en los cristales fótónicos, presentes incluso en la naturaleza. Se observa fotónica en piedras como los ópalos, en las alas de las mariposas, en los camaleones o incluso en los ojos de las moscas. Los colores brillantes de estos objetos e insectos se producen cuando la luz —que es una onda— interactúa con objetos de un tamaño similar. Esta propiedad está presente en múltiples circunstancias de la vida diaria, como el fenómeno de interferencia que se da en una capa muy delgada de nafta o aceite depositada sobre un charco de agua, lo que conlleva al refuerzo de algunos colores que son los que observamos en la superficie. En el caso de las mariposas Morpho, la delicada estructura de proteínas de sus alas —dispuesta en arreglos periódicamente ubicados en la escala de los cientos de nanómetros— es la responsable de su luminoso color azul. Estos sistemas nanométricos, organizados espacialmente en la nanoescala, se disponen de manera análoga a los átomos de un cristal. De allí viene el término “cristales fotónicos”. En un cristal fotónico, las ondas de luz se reflejan y refractan en cada uno de los objetos periódicos y dan lugar a una marcada amplificación del color azul.

El nanosistema 

La nanotecnología tiene diferentes niveles de complejidad. La síntesis de nanopartículas o películas delgadas transparentes es la piedra fundamental para esta clase de sistema nanotecnológicos. A partir de allí, la complejidad puede incrementarse mediante la creación de nanosistemas espacialmente organizados. El equipo de investigadores UNSAM-UBA-CNEA-INTI diseñó un cristal fotónico que surge de la apilación de esas películas delgadas (nanoestructuradas para regular el comportamiento de la luz) luego de haberles incorporado nanopartículas metálicas en posiciones bien definidas y estratégicamente elegidas. Estos nanosistemas requieren miles de cálculos y definiciones acerca de sus funciones. Si las capas son porosas y ópticamente claras, la luz y las moléculas pueden entrar y salir, y el nanosistema puede servir como un sensor o un centro de catálisis, apto para ser activado con irradiaciones controladas de luz.

Para este trabajo, se diseñó un cristal fotónico poroso que atrapa y concentra luz de determinado color y la inyecta en las nanopartículas de plata que están incluidas en el sistema poroso. Las nanopartículas reciben esa luz y pueden transferir esa energía a sus alrededores. Este efecto fue usado en este caso para mejorar la detección de moléculas que están atrapadas dentro de los poros. Soler Illia concluye: “Este tipo de nanosistemas permite al mismo tiempo atrapar un contaminante o una molécula biológica y detectarlo mediante una vía optica. Como la técnica que se ha desarrollado es compatible con la industria electrónica y de fibras ópticas, esto puede dar lugar a sensores ópticos de la molécula que se elija y además tiene potencial en sensado remoto en medioambiente, en la industria de alimentos o incluso en salud”.