El quehacer científico es la actividad humana que más beneficios nos ha brindado en un sin número de aspectos, que van desde aumentar las expectativas y la calidad de vida, responder preguntas sobre los orígenes del universo, probar la existencia del ser humano como un proceso evolutivo y producir alimentación de forma sostenida, hasta crear tecnología que nos permita vivir con gran comodidad y nos dé acceso a más conocimiento.
La ciencia, basada en el método científico que antepone a toda creencia un marco de conocimiento crítico basado en la evidencia, no se detiene, avanza inexorablemente hacia cada vez nuevo conocimiento basado en el conocimiento anterior, formando así un círculo virtuoso. Dentro de este círculo virtuoso, surgen nuevos paradigmas que dan la pauta a nuevas posibilidades, no sólo científicas, sino también tecnológicas, que finalmente impactan nuestra calidad de vida.
En este artículo, describimos cómo un nuevo paradigma ha surgido en los últimos años. Éste involucra dos grandes avenidas de investigación: por un lado, la nano-tecnología, y por otro, los materiales ópticos no-lineales.
La conjunción de estos dos grandes temas de investigación científica da posibilidades inauditas para un gran número de aplicaciones, que estamos seguros serán la base de una nueva rama tecnológica que muy pronto comenzará a rendir frutos, sobre todo en el campo de la biología y la óptica.
En el centro de investigaciones en óptica (CIO) se avanza hacia del desarrollo de nuevas plataformas ópticas hibridas con la finalidad de generar nuevo conocimiento científico y contar con nuevas plataformas que permitan la solución a diversos problemas tecnológicos.
Los nuevos equipos para el desarrollo de dispositivos ópticos integrados, las nuevas condiciones de síntesis de sistemas nanoestructurados, los grandes avances sobre estudios ópticos no lineales en materiales orgánicos e inorgánicos y los avances sobre tecnología híbrida desarrollados en el CIO, hacen de estas nuevas plataformas ópticas algo alcanzable.
Por un lado, los efectos ópticos no lineales en un material hacen referencia a fenómenos generalmente de conversión de frecuencias de luz. Esto es, cuando un material es excitado con campos electromagnéticos fuertes (láseres de alta energía) a cierta frecuencia del espectro electromagnético, el material transmitirá parte de la energía de la misma frecuencia con la que es excitado, y a su vez generará nuevas frecuencias que corresponden a múltiplos enteros del valor de la frecuencia inicial.
Este tipo de fenómenos ópticos presentes en materiales tiene gran importancia tecnológica; en especial, en telecomunicación permiten el desarrollo de dispositivos para el procesamiento de señales vía todo-óptico, y en aplicaciones como la generación de bio-imágenes funcionan como elementos de contraste.
Por otro lado, el desarrollo de materiales nanoestructurados, es por sí mismo un hecho de frontera tecnológica, ya que engloba términos de control y manipulación sobre sus propiedades físicas, biológicas y químicas; a partir de esta manipulación, podemos construir nuevos materiales con propiedades eléctricas, magnéticas, térmicas, catalíticas y ópticas que son únicas y no existen de forma natural.
Por ejemplo, una de las propiedades más estudiadas y con mayor aplicación es la que confiere la interacción de la luz con los materiales nanoestructurados, en especial los desarrollos a base de metales, como son las nanopartículas de oro y plata.
Cuando la luz interactúa a cierta frecuencia con las nanopartículas metálicas, se produce un fenómeno físico de oscilación colectiva de electrones localizados en la superficie de la nanoestructura metálica. A esta oscilación electrónica se le conoce como plasmón superficial localizado, abreviado como LSPR (por sus siglas en inglés). Es esta propiedad, en los materiales metálicos nanoestructurados, la que ha permitido aplicaciones sorprendentes, que van desde la detección y el control de microorganismos y la implementación de terapia fototérmica para tratamiento del cáncer hasta la generación de luz ultravioleta a través de la excitación de nanopartículas metálicas no centrosimétricas adjuntadas en una guía de onda adelgazada, entre otras.
Otro de los fenómenos ópticos producidos por la interacción entre cierta molécula con la nanopartícula metálica y que tiene una gran variedad de aplicaciones como: sensores bioquímicos, es la técnica de Esparcimiento Raman Aumentado por Superficie, SERS (por sus siglas en inglés) Ésta es una técnica superficialmente sensible que aumenta el esparcimiento Raman producido por las moléculas presentes o adjuntadas sobre la superficie de las nanopartículas metálicas.
Básicamente, la respuesta Raman de una molécula seria como una huella distintiva de la misma traducida en vibraciones de la molécula al absorber luz. A través de este fenómeno, notamos una interacción directa de las nanoestructuras metálicas con los materiales o compuestos orgánicos que estén posicionados sobre sus superficies, dando como resultado un aumento en la intensidad de la señal óptica. Las propiedades y los beneficios de esta interacción han sido ampliamente estudiados, y la mayoría de las aplicaciones son dirigidas hacia el desarrollo de sensores bioquímicos.
Sin embargo, existen otros fenómenos ópticos que pueden ser fácilmente explorados utilizando el mismo principio de interacción y considerando el mismo fundamento de aumento en la señal, como son los procesos ópticos no lineales aumentados por nanopartículas.
La manera en la que estas nanopartículas podrían aumentar los efectos no lineales de algún material, sería a través de la interacción directa de las interfaces metal-dieléctrico; esto traería como resultado un aumento en la respuesta local del material bajo análisis. Por otro lado, estos efectos, plasmónicos y no lineales, son fuertemente dependientes y sensibles a los cambios en los índices de refracción del metal y de los medios dieléctricos. De esta forma, dos posibilidades inmediatas en el aumento en las propiedades no lineales de los materiales son fácilmente alcanzables: en primer lugar, los plasmones localizados en la superficie del metal incrementarían localmente la respuesta óptica no lineal del material adjuntado a la misma, y en segundo, una modificación en las propiedades de índice de refracción puede modificar la respuesta no lineal del material o modificar la condición plasmónica de la superficie del metal, resultando en una alteración de los fenómenos de absorción, esparcimiento o transmisión de la luz en los mismos.
Dado que los efectos ópticos no lineales en materiales dependen directamente de las condiciones de simetría de los mismos, este tipo de fenómenos puede tener una relación de generación mixta, ya sea directamente del compuesto no lineal, de la interacción entre una nanoestructura metálica o provenir de la misma nanopartícula. Al respecto, modificar las propiedades de simetría de las nanoestructuras metálicas es hoy en día un procedimiento común, por lo que diferentes estudios sistemáticos de simulación y de caracterización óptica no lineal pueden derivarse de tomar en cuenta este tipo de interacción plasmónica no lineal.
Los aspectos de simulación en la respuesta de las nuevas interfaces, permitirán visualizar de forma más eficiente las condiciones de diseño del sistema híbrido generado a partir de los nuevos materiales, interactuando con múltiples condiciones geométricas de nanoestructuras metálicas.
Una aplicación inmediata de este estudio sería el desarrollo de nuevas plataformas de marcadores biológicos con mejores respuestas ópticas, como sería la generación de segundo harmónico aumentado, lo cual podría dar una mejor resolución del espécimen biológico; más aún, si las nanoestructuras metálicas son superficialmente activadas para que se comporten como un vector biológico, sería posible resolver imágenes a partir de partículas individuales aisladas que muestren condiciones bioquímicas diferentes de las del espécimen en análisis.
A su vez, este tipo de interacción entre un metal y un dieléctrico, no solo traería enormes beneficios en aspectos de monitoreo de algún bioespecimen, sino que por el aspecto fundamental de interacción permitiría múltiples aplicaciones tecnológicas y aumentaría la respuesta de muchas de las ya existentes, como son: los moduladores ópticos y los interruptores todo-ópticos, ambos fenómenos enfocados hacia aplicaciones de telecomunicaciones.
a) Imágenes de nanopartículas de oro en forma de cilindro.
b) Efecto óptico no lineal de tercer orden en un material orgánico en solución- espectros de fluorescencia de la solución orgánica al absorber respectivamente uno y dos fotones.
c) espectroscopia de campo oscuro de una fibra óptica superficialmente activada con nanopartículas de oro en forma de cilindros.
Todas las imágenes corresponden a síntesis de materiales nanoestructurados, trabajos de caracterización óptica no lineal y desarrollo de dispositivos híbridos de fibra óptica y sistemas nanoestructurados realizados en el centro de investigaciones en óptica-CIO.
