Llevar la luz a escala nanométrica

Conocer cómo interactúa la luz con objetos a nano escala es uno de los principales intereses de investigación científica de la doctora Cecilia Noguez Garrido, del Instituto de Física de la UNAM, quien junto con su equipo se ha dedicado a estudiar las estructuras nanométricas a través de la espectroscopía óptica, específicamente sobre la transferencia de calor a nanoescala, con el objetivo de seguir en la búsqueda de nuevos nanosensores, así como de nuevas espectroscopías ópticas a nanoescala.

“La Luz interactúa de manera diferente con objetos macroscópicos que aquellos de nano escala. A escala macroscópica la luz que se refleja en una mesa deja ver sus características como su color y brillantez, entre otras características, si se hace un cambio a la mesa, como por ejemplo, recortar una de sus esquinas, se sigue viendo a la mesa del mismo color. A escala nanométrica, si se cambia la forma de la partícula, por ejemplo de un cubo, y se le recortan las esquinas, el color que refleja cambia. Esto indica que hay una interacción de la luz a escala nanométrica que depende de la forma de las nanopartículas”.

Esto sucede, explicó Cecilia Noguez, porque la luz, al ser una onda electromagnética, ejerce una fuerza sobre los electrones de la nanopartícula causando que estos se exciten colectivamente y se muevan hacia un lado determinado de la partícula nanométrica dejando los iones con cargas positivas al otro lado. Esto produce diferentes arreglos de las cargas positivas  y negativas dando lugar a densidades de carga. La forma de estas densidades de carga depende de la forma de las nanopartículas.

En su conferencia “Luz a escala nanométrica”, ofrecida ayer en la Facultad de Ciencias de la UNAM, en el marco del ciclo de Conferencias Premios de Investigación de la AMC, la ganadora de esta prestigiada distinción en el 2009 en el área de ciencias exactas, indicó que al dirigir la luz hacia una nanopartícula se produce una competencia de fuerzas: por un lado, la fuerza ejercida por la luz separando a los electrones de los iones y, por otro, la fuerza de atracción que hay entre las cargas positivas de los iones y las negativas de los electrones, lo cual obedece a la ley de Coulomb.

“Otra fuerza que hay que considerar es la repulsiva que existe entre los electrones debido a que estos tienen la misma carga negativa. Por lo que empieza a haber arreglos de distintas cargas de manera tal que minimice la energía necesaria para poder mover los electrones en este arreglo”, dijo.

Así que, todas estas propiedades que se generan por el paso de la luz: los arreglos, las densidades de carga y la competencia de las fuerzas desembocan en una fuerza de resonancia que es característica de cómo están distribuidas las cargas positivas y negativas en una nanopartícula, que a su vez depende de las distancias entre ellas originadas por la forma geométrica de las estructuras nanométricas. Al final, la suma de las fuerzas da una frecuencia de resonancia que está asociada a una distribución de carga, depende de cómo se acomoden los electrones con respecto a los iones.

“Así, dependiendo de la geometría de la partícula se pueden tener una, dos, tres o más frecuencias de resonancia y resulta que en todas estas frecuencias asociadas a una determinada geometría se puede absorber y concentrar la luz sobre puntos específicos”, precisó.

Esto resulta útil para una gran cantidad de aplicaciones, de las cuales Noguez Garrido  describió dos en particular:

La primera es que a nivel celular se ha pensado en introducir nanopartículas dentro de las células que logren generar calor y éste a su vez destruya las células, esto se puede hacer gracias a los diferentes arreglos de cargas que pueden permitir concentrar el campo electromagnético en puntos muy bien definidos a través de luz proveniente de una lámpara, al calentar la nanopartícula la célula morirá por lo que puede ser útil para destruir algunas células malignas, bacterias o agentes patógenos.

Para la investigadora esto resulta interesante, porque se puede aumentar tanto el campo electromagnético hasta 107, que son diez millones de veces y en regiones pequeñas, generando un calor muy intenso.

No obstante, la física reconoció que al introducir la nanopartícula no se sabe si el cuerpo la desecha o qué pasa con el ciclo celular, es decir, se sabe de su efectividad para destruir células enfermas, pero no se conocen los efectos secundarios en células sanas, razón por la cual esta tecnología aún no llega al mercado.

Por otro lado, se pretende aumentar la eficiencia de las celdas fotovoltaicas, colocando nanopartículas que concentren mucha mayor energía en menor espacio buscando trasladarla para aumentar la eficiencia de la misma. Otra aplicación es en el aumento en la sensibilidad de técnicas que detectan luz.