Imagínese: una lente óptica tan potente que le permite ver características del tamaño de un pequeño virus en la superficie de una célula viva en su entorno natural.
La construcción de instrumentos con esta capacidad ahora es posible debido a un avance fundamental en la calidad de un material óptico utilizado en la hiperlente, un método para crear lentes que pueden resolver objetos mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz. El logro fue informado por unequipo de investigadores dirigido por Joshua Caldwell, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad de Vanderbilt, en un artículo publicado el 11 de diciembre en la revista Materiales de la naturaleza .
El material óptico involucrado es el nitruro de boro hexagonal hBN, un cristal natural con propiedades de hiperlente. La mejor resolución previamente reportada usando hBN fue un objeto aproximadamente 36 veces más pequeño que la longitud de onda infrarroja utilizada: aproximadamente del tamaño de las bacterias más pequeñas.El nuevo documento describe mejoras en la calidad del cristal que mejoran su capacidad de imagen potencial en aproximadamente un factor de diez.
Los investigadores lograron esta mejora al hacer cristales de hBN utilizando boro purificado isotópicamente. El boro natural contiene dos isótopos que difieren en peso en aproximadamente un 10 por ciento, una combinación que degrada significativamente las propiedades ópticas del cristal en el infrarrojo.
"Hemos demostrado que las limitaciones de eficiencia inherentes de los hiperlenses pueden superarse mediante la ingeniería isotópica", dijo el miembro del equipo Alexander Giles, físico investigador del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. "Controlar y manipular la luz en dimensiones a nanoescala es notoriamente difícil e ineficiente. Nuestro trabajo proporciona un nuevo camino para la próxima generación de materiales y dispositivos ".
Investigadores de la Universidad de California, San Diego, la Universidad Estatal de Kansas, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y la Universidad de Columbia también contribuyeron al estudio.
Los investigadores calculan que una lente hecha de su cristal purificado puede, en principio, capturar imágenes de objetos tan pequeños como 30 nanómetros de tamaño. Para poner esto en perspectiva, hay 25 millones de nanómetros en una pulgada y el cabello humano varía de 80,000 a 100,000nanómetros de diámetro. Un glóbulo rojo humano tiene aproximadamente 9,000 nanómetros y los virus varían de 20 a 400 nanómetros.
A lo largo de los años, los científicos han desarrollado muchos instrumentos capaces de producir imágenes con resolución a nanoescala, como microscopios basados en electrones y de fuerza atómica. Sin embargo, son incompatibles con organismos vivos: o operan bajo un alto vacío, exponen muestras aniveles nocivos de radiación, requieren técnicas de preparación de muestras letales, como liofilización o extracción de muestras de su entorno natural basado en soluciones.
La razón principal para desarrollar hiperlenses es la posibilidad de que puedan proporcionar imágenes tan detalladas de células vivas en sus entornos naturales utilizando luz de baja energía que no las dañe. Además, el uso de luz infrarroja para realizar las imágenes también puede proporcionarinformación espectroscópica sobre los objetos que representa, proporcionando un medio para 'tomar huellas digitales' del material. Estas capacidades podrían tener un impacto significativo en la ciencia biológica y médica. La tecnología también tiene aplicaciones potenciales en comunicaciones y componentes ópticos a nanoescala.
La física de las hiperlenses es bastante compleja. El nivel de detalle que pueden obtener los microscopios ópticos está limitado por la longitud de onda de la luz y el índice de refracción del material de la lente. Cuando se combina con los factores de apertura de la lente, la distancia del objeto ala lente y el índice de refracción del objeto bajo observación, esto se traduce en un límite óptico típico de aproximadamente la mitad de la longitud de onda utilizada para la obtención de imágenes. En las longitudes de onda infrarrojas utilizadas en este experimento, este "límite de difracción" es de aproximadamente 3.250 nanómetros. Este límitepuede superarse mediante el uso de hBN debido a su capacidad para soportar polaritones de fonón de superficie, partículas híbridas formadas por fotones de acoplamiento de luz con átomos vibrantes y cargados en un cristal que tienen longitudes de onda mucho más cortas que la luz incidente.
En el pasado, el problema con el uso de polaritones de esta manera ha sido la rapidez con la que se disipan. Al usar cristales de hBN hechos de boro isotópicamente puro al 99 por ciento, los investigadores han medido una reducción dramática en las pérdidas ópticas en comparación con los cristales naturales,aumentando la vida útil del polaritón tres veces, lo que les permite viajar el triple de la distancia. Esta mejora se traduce en una mejora significativa en la resolución de imagen. El análisis teórico de los investigadores sugiere que es posible otro factor de mejora de diez.
"Actualmente, hemos estado probando escamas muy pequeñas de hBN purificado", dijo Caldwell. "Creemos que veremos aún más mejoras con cristales más grandes".
En 1654, Anton van Leeuwenhoek utilizó uno de los primeros microscopios artesanales para descubrir el mundo previamente desconocido de la vida microscópica. Este último avance en el desarrollo de hiperlens es un paso significativo para llevar el descubrimiento de van Leeuwenhoek a un nivel completamente nuevo, que permitirá a los biólogospara observar directamente los procesos celulares en acción, como los virus que invaden las células o las células inmunes que atacan a los invasores extraños.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Vanderbilt . Original escrito por David Salisbury. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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