Nuevo microscopio para nanosistemas

Los nanomateriales juegan un papel esencial en muchas áreas de la vida cotidiana. Existe, pues, un gran interés por obtener un conocimiento detallado de sus propiedades ópticas y electrónicas, por ejemplo mediante microscopios.

Pero los microscopios convencionales sólo alcanzan las varias decenas de nanómetros de resolución, por lo que una nanopartícula casi no genera señal. Como consecuencia, muchas investigaciones se limitan a grandes conjuntos de partículas. Ahora, un equipo de científicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (Múnich, Alemania) ha desarrollado una técnica, que utiliza una microcavidad óptica para potenciar las señales por más de 1.000 y al mismo tiempo consigue una resolución óptica de cerca del límite fundamental de difracción.

Las mediciones espectroscópicas de grandes conjuntos de nanopartículas sufren del hecho de que las diferencias individuales en tamaño, forma, y ​​composición molecular se pierden y sólo pueden medirse las cantidades promedio.

"Nuestro enfoque es atrapar la luz utilizada para obtener imágenes en el interior de un resonador óptico, donde circula decenas de miles de veces. Esto mejora la interacción entre la luz y la muestra, y la señal se convierte en fácil de medir", explica David Hunger, uno de los científicos que trabajan en el experimento, en la nota de prensa.

"En un microscopio ordinario, la señal podría ser sólo una millonésima parte de la potencia de entrada, que es difícilmente mensurable. Debido al resonador, la señal se multiplica por un factor de 50.000."

En el microscopio, construido por David Hunger y su equipo, un lado del resonador está hecho de un espejo plano que sirve al mismo tiempo como soporte de las nanopartículas objeto de la investigación. La contraparte es un espejo fuertemente curvado en el extremo de una fibra óptica.

La luz láser se acopla en el resonador a través de esa fibra. El espejo plano se mueve punto por punto con respecto a la fibra con el fin de llevar paso a paso las partículas a su foco. Al mismo tiempo, la distancia entre ambos espejos se ajusta de tal manera que la condición para la aparición de modos de resonancia se cumple. Esto requiere una precisión en el rango de picómetros.

Oro

Para sus primeras mediciones, los científicos utilizaron esferas de oro con un diámetro de 40 nanómetros. "Las partículas de oro sirven como nuestro sistema de referencia, dado que se pueden calcular con precisión sus propiedades y por lo tanto comprobar la validez de nuestras mediciones", dice Hunger.

"Como sabemos las propiedades ópticas de nuestro aparato de medición de forma muy precisa, podemos determinar las propiedades ópticas de las partículas de la señal de transmisión cuantitativamente y compararlas con el cálculo".

En contraste con otros métodos que dependen de la mejora directa de la señal, el campo de luz se limita a un área muy pequeña, de manera que con un solo modo se consigue una resolución espacial de 2 micras. Mediante la combinación de modos de orden superior, los científicos podrían incluso aumentar la resolución hasta alrededor de 800 nanómetros.

El método se vuelve aún más potente cuando ambas propiedades de absorción y dispersión de una sola partícula se determinan al mismo tiempo.

Esto es interesante especialmente si las partículas no son esféricas, sino por ejemplo, alargadas. En ese caso, las cantidades correspondientes dependen de la orientación de la polarización de la luz con respecto a los ejes de simetría de la partícula.

"En nuestro experimento usamos nanorods (nanovarillas) de oro (34x25x25 Nm³) y observamos cómo cambiaba la frecuencia de resonancia en función de la orientación de la polarización. Si la polarización está orientada en paralelo a los ejes de la varilla, el cambio de la resonancia es mayor que si la polarización está orientada ortogonalmente, resultando en dos frecuencias de resonancia diferentes para ambas polarizaciones ortogonales", explica Matthias Mader, estudiante de doctorado en el experimento.

"Esta birrefringencia (doble refracción) se puede medir con mucha precisión y es un indicador muy sensible de la forma y orientación de la partícula."

"Como una aplicación de nuestro método, podríamos pensar por ejemplo, en la investigación de la dinámica temporal de macromoléculas, como la dinámica de plegamiento de las proteínas", dice Hunger. "En general, vemos un gran potencial en nuestro método: de la caracterización de nanomateriales y nanosistemas biológicos hasta la espectroscopia de emisores cuánticos."

Referencia bibliográfica:

Matthias Mader, Jakob Reichel, Theodor W. Hänsch, y David Hunger: A Scanning Cavity Microscope. Nature Communications (2015). DOI: 10.1038/ncomms8249.