Imagínese:una lente óptica tan poderosa 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 hiperlentes, 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 un equipo 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 nitruro de boro hexagonal (hBN), un cristal natural con propiedades hiperlentes. La mejor resolución previamente reportada usando hBN fue un objeto unas 36 veces más pequeño que la longitud de onda infrarroja utilizada:aproximadamente del tamaño de las bacterias más pequeñas. El nuevo artículo describe mejoras en la calidad del cristal que mejoran su capacidad potencial de generación de imágenes en aproximadamente un factor de diez.

Los investigadores lograron esta mejora al fabricar 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 a las hiperlentes 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 de nanoescala es notoriamente difícil e ineficiente. Nuestro trabajo proporciona un nuevo camino a seguir para la próxima generación de materiales y dispositivos".

Investigadores de la Universidad de California, San Diego, Universidad Estatal de Kansas, El Laboratorio Nacional 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 oscila entre 80, 000 a 100, 000 nanómetros de diámetro. Un glóbulo rojo humano tiene aproximadamente 9, 000 nanómetros y los virus oscilan entre 20 y 400 nanómetros.

A través 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 los organismos vivos:o operan bajo un alto vacío, exponer las muestras a niveles nocivos de radiación, requieren técnicas de preparación de muestras letales como la liofilización o eliminar muestras de su naturaleza, entorno basado en soluciones.

La razón principal para desarrollar hiperlentes 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 proporcionar información espectroscópica sobre los objetos que captura, proporcionar un medio para "tomar las huellas dactilares" del material. Estas capacidades podrían tener un impacto significativo en la ciencia médica y biológica. La tecnología también tiene aplicaciones potenciales en comunicaciones y componentes ópticos a nanoescala.

La física de las hiperlentes 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, distancia del objeto a la 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 formación de imágenes. En las longitudes de onda infrarrojas utilizadas en este experimento, este "límite de difracción" es de aproximadamente 3, 250 nanómetros. Este límite puede superarse utilizando hBN debido a su capacidad para soportar polaritones de fonones de superficie, partículas híbridas formadas por fotones de luz acoplados con vibración, átomos cargados en un cristal que tienen longitudes de onda mucho más cortas que la luz incidente.

En el pasado, el problema de usar polaritones de esta manera ha sido la rapidez con la que se disipan. Al usar cristales de hBN hechos de 99 por ciento de boro isotópicamente puro, los investigadores han medido una reducción drástica de las pérdidas ópticas en comparación con los cristales naturales, multiplicar por tres la vida útil del polaritón, lo que les permite viajar el triple de distancia. Esta mejora se traduce en una mejora significativa en la resolución de la imagen. El análisis teórico de los investigadores sugiere que es posible mejorar otro factor de diez.

"En la actualidad, 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 hechos a mano para descubrir el mundo hasta ahora desconocido de la vida microscópica. Este último avance en el desarrollo de hiperlentes es un paso significativo para llevar el descubrimiento de van Leeuwenhoek a un nivel completamente nuevo. uno que permitirá a los biólogos observar directamente los procesos celulares en acción, como virus que invaden células o células inmunes que atacan a invasores extraños.