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Crean modelo de cristal fotónico para aplicaciones biológicas

Reyna Alejandra Fonseca Velázquez
17/may/2017

En un estadio de futbol, los aficionados hacen la ola para apoyar a su equipo favorito. Al levantarse y alzar las manos, cada uno se manifiesta de manera individual, pero cuando todos lo hacen de manera colectiva, se crea el efecto de una sola onda propagándose por las gradas. Ese mismo efecto sucede cuando la luz se acopla con los electrones de superficie de un metal a lo que se conoce como plasmón de superficie.

En estudios recientes se ha encontrado que en los metamateriales también se puede observar el mismo efecto que con los metales. Un metamaterial es un material que no existe en la naturaleza y que el ser humano crea a partir de metales o plástico para que manifiestan propiedades específicas.

Jaime Everardo Pérez Rodríguez, investigador posdoctoral del Departamento de Física del Estado Sólido del IFUNAM en el grupo del investigador Raúl Esquivel Sirvent, se dedica a analizar esa excitación. No la del estadio sino la de modos de superficie en metamateriales generados por la acción de la luz, o algun tipo de radiación eléctrica o magnética, siendo la frecuencia y ángulo de incidencia de la radiación, parámetros que propician la propagación de esta “ola”.

Él es egresado de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla y presentó en el Seminario de Estudiantes del 8 de marzo su diseño teórico de un metamaterial en forma de cristal fotónico, que en el futuro podría ser usado como un bio-sensor o sensor biológico útil en disciplinas como la medicina, la industria alimentaria y la ciencia ambiental, entre otras.

“Los sensores biológicos se construyen a partir de metales como oro y plata y funcionan con la excitación de plasmones de superficie, que sirven para analizar moléculas biológicas”, explicó Pérez Rodríguez en el seminario.

Para generar un biosensor, la excitación es, de nuevo, la palabra clave. El instrumento está compuesto por un prisma al que se le ha crecido en la cara de salida una película de una decena de nanometros de un metal (material receptor), por lo general oro, a la que posteriormente se le fijarán moleculas de una especie que serviran de ancla a otras moléculas especificas.

Una vez que se tiene esto en la cara de entrada llegará la luz. Cuando se llegue a un cierto ángulo, característico del tipo de molécula anclada, se propiciará la formación de plasmones superficiales que vibrarán con una frecuencia que dependerá de la energía contenida en la luz incidente.

El problema con estos biosensores conformados por metales, es que no pueden ser excitados por la componente magnética transversal de la radiación, mejor dicho por la luz, sin olvidar que ésta posee una componente eléctrica y magnética.

Así que, una forma de evitar este problema es que en lugar de usar oro y plata, se utilicen metamateriales, como lo hizo Jaime Pérez, pues “con ellos sí se pueden excitar plasmones por la acción de la componente magnética de la luz”, agregó el joven investigador. Prácticamente, “se abre un nuevo campo de conocimiento en el que se aprovechan las asombrosas cualidades de los metamateriales.

La magia sensible de los metamariales

En el caso de los sensores con metamateriales, no solo la componente eléctrica de la luz excita un plasmón, como en los metales, sino también la componente magnética de la luz lo hace, cosa que no sucede en los metales.

Una de las características de un metamaterial es su índice de refracción. En comparación con un material “normal”, el metamaterial tiene un índice de refracción negativo, es decir, la dirección de propagación del haz de luz que se transmite en él no solo cambia de velocidad sino que se desvía en sentido contrario a lo que ocurre en un material normal.

La línea amarilla representa la luz incidente, la línea azul es la luz refractada por el metamaterial y la línea punteada es la trayectoria que seguiría la luz si fuera refractada por un material ordinario. n1: índice de refracción del aire, n2: índice de refracción del metamaterial. Fuente: wikipedia

Así, en el sensor biológico lo interesante está en medir cómo cambia ese ángulo de excitación. Es decir, primero se hace incidir luz sobre el prisma y luego se mide con el sensor la cantidad de luz que se refleja; después, se repite este paso variando el ángulo de incidencia de la luz hasta que se encuentra que la luz reflejada es mínima. Y en ese momento se ha encontrado el plasmón de superficie.

Pérez Rodríguez se impuso como meta de investigación diseñar de manera teórica uno de estos materiales: un cristal fotónico formado por capas alternadas de metamaterial y aire. ¿Su objetivo? Comprender el acoplamiento de la radiación incidente y los modos de vibración de los electrones libres, es decir, ubicar el ángulo en que se forman los plasmones superficiales en el cristal fotónico.

Para ello Jaime Pérez debía encontrar el plasmón generado en los componentes del metamaterial que conforman al cristal fotónico, por lo que usó la técnica de reflexión total interna atenuada. Una técnica que implica colocar en su modelo teórico un prisma con un índice de refracción grande (que desvíe mucho la luz que lo atraviese) entre la fuente de luz y el cristal fotónico para así excitar los modos de vibración superficiales.

Esta técnica está basada en el fenómeno de reflexión total interna, que ocurre cuando la luz que incide en un material a cierto ángulo, característico de cada material, se refleja totalmente en su interior, como si se topara con un espejo. En la reflexión total interna atenuada, sin embargo, no se puede encontrar un ángulo donde la reflectividad sea máxima pero se puede ubicar un ángulo en el que se mide el mínimo de reflectividad.

Este mínimo encontrado corresponde al ángulo en el que se genera un plasmón de superficie en el metamaterial pues una parte de la energía de luz se ocupa de hacer vibrar los modos superficiales del metamaterial. Ese ángulo es justamente el que se requiere conocer para el caso de los sensores biológicos.

El uso de esta técnica podría propiciar una futura aplicación en la fabricación de sensores biológicos. Si fuera construido ahora mediría algunos centímetros, sería muy grande para un biosensor. Por eso es necesaria la tecnología que lo haga mucho más pequeño.

Por otro lado, una de las contribuciones más importantes de Jaime Pérez es que en su modelo considera que una fracción transversal tanto de la parte eléctrica como de la magnética de la luz, es capaz de generar, cada una, fuerzas que hagan entrar en resonancia los componentes de los metamateriales para dar lugar a la formación del plasmón, cosa que no ocurre con materiales ordinarios.

Jaime Everardo Pérez Rodríguez, investigador posdoctoral del Departamento de Física del Estado Sólido del IFUNAM. Foto: Reyna Alejandra Fonseca Velázquez.