(Phys.org) —El desarrollo de un 'nanobarrel' que atrapa y concentra la luz en moléculas individuales podría usarse como una prueba de diagnóstico confiable y de bajo costo.

Jeremy Baumberg y su equipo de 30 investigadores son maestros manipuladores de la luz. Son especialistas en nanofotónica:el control de cómo la luz interactúa con pequeños trozos de materia, a escalas tan pequeñas como una mil millonésima parte de un metro. Es un campo de la física que hace 20 años se desconocía.

En el corazón de la nanofotónica está la idea de que cambiar la estructura de los materiales a la escala de unos pocos átomos puede usarse para alterar no solo la forma en que la luz interactúa con el material, sino también sus propiedades funcionales.

"El objetivo es diseñar materiales con una arquitectura realmente intrincada a una escala realmente pequeña, tan pequeño que es más pequeño que la longitud de onda de la luz, "dijo Baumberg, Catedrático de Nanofotónica en el Departamento de Física. "Si el material de partida es poliestireno u oro, cambiar la forma de su nanoestructura puede darnos un control extraordinario sobre cómo los electrones encerrados en su interior absorben la energía de la luz. Estamos aprendiendo a utilizar esto para desarrollar nuevas funciones ".

Uno de sus logros recientes es desarrollar materiales sintéticos que imitan algunos de los colores más llamativos de la naturaleza. entre ellos el tono iridiscente de los ópalos. Se forman ópalos naturales.

'Ópalos de polímero', sin embargo, son de plástico, como el poliestireno en los vasos para beber, y se forman en cuestión de minutos. Con algo de química inteligente Los investigadores han encontrado una forma de hacer esferas de poliestireno recubiertas con una capa exterior suave similar a una goma de mascar.

Como estos ópalos de polímero se retuercen y se estiran, Los colores azul-verde 'metálicos' ondean a través de su superficie. Su flexibilidad y la permanencia de su color intenso los convierten en materiales ideales para tarjetas y billetes de seguridad o para sustituir tintes tóxicos en la industria textil.

"Lo fundamental es que, al ensamblar las cosas de la manera correcta, obtienes la función que deseas, "dijo Baumberg, que desarrolló los ópalos de polímero con colaboradores en Alemania (en el DKI, ahora el Instituto Fraunhofer de Durabilidad Estructural y Fiabilidad del Sistema). "Si las esferas son aleatorias, el material se ve blanco o incoloro, pero si se apilan perfectamente con regularidad, se obtiene color. Hemos descubierto que untar las esferas unas contra otras mágicamente las hace caer en líneas regulares y, debido a la capa de chicle, cuando lo estiras, el color también cambia.

"Es un buen ejemplo de nanotecnología:tomamos un material transparente, lo cortamos en la forma correcta, lo apilamos de la manera correcta y obtenemos una función completamente nueva ".

Aunque la nanofotónica es un área comparativamente nueva de investigación de materiales, Baumberg cree que dentro de dos décadas comenzaremos a ver materiales nanofotónicos en cualquier cosa, desde textiles inteligentes hasta edificios y colorantes alimentarios hasta células solares.

Ahora, Parece que uno de los últimos descubrimientos del equipo abrirá aplicaciones en el diagnóstico médico.

"Estamos empezando a aprender cómo podemos fabricar materiales que respondan ópticamente a la presencia de moléculas individuales en fluidos biológicos, ", explicó." Hay una gran demanda de esto. A los médicos de cabecera les gustaría poder evaluar al paciente mientras espera, en lugar de enviar muestras para pruebas clínicas. Y las pruebas baratas y fiables beneficiarían a los países en desarrollo que carecen de costosos equipos de diagnóstico ".

Una técnica comúnmente utilizada en el diagnóstico médico es la espectroscopia Raman, que detecta la presencia de una molécula por su 'firma óptica'. Mide cómo cambia la luz cuando rebota en una molécula, que a su vez depende de los enlaces dentro de la molécula. Sin embargo, las máquinas deben ser muy potentes para detectar lo que pueden ser efectos bastante débiles.

Baumberg ha estado trabajando con el Dr. Oren Scherman, Director del Laboratorio Melville de Síntesis de Polímeros en el Departamento de Química, en una forma completamente nueva de detectar moléculas que han desarrollado utilizando un contenedor molecular en forma de barril llamado cucurbituril (CB). Actuando como un pequeño tubo de ensayo CB permite que moléculas individuales entren en su forma de barril, aislándolos eficazmente de una mezcla de moléculas.

En colaboración con investigadores de España y Francia, y con financiación de la Unión Europea, Baumberg y Scherman han encontrado una manera de detectar lo que hay en cada barril usando luz, combinando los barriles con partículas de oro de solo unos pocos miles de átomos de diámetro.

"Hacer brillar la luz sobre esta mezcla de barril de oro enfoca y mejora las ondas de luz en pequeños volúmenes de espacio exactamente donde se encuentran las moléculas, "Baumberg explicó." Al mirar los colores de la luz dispersa, podemos averiguar qué moléculas están presentes y qué están haciendo, y con muy alta sensibilidad ".

Mientras que la mayoría de los equipos de detección requieren condiciones precisas que solo se pueden lograr realmente en el laboratorio, esta nueva tecnología tiene el potencial de ser de bajo costo, sensor confiable y rápido para mercados masivos. La cantidad de oro requerida para la prueba es extremadamente pequeña, y las partículas de oro se autoensamblan con CB a temperatura ambiente.

Ahora, con financiación del Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas, y trabajar con empresas y usuarios finales potenciales (incluido el NHS), Baumberg y Scherman han comenzado el proceso de desarrollo de sus 'sensores plasmónicos' para analizar fluidos biológicos como la orina y las lágrimas. para usos como la detección de neurotransmisores en el cerebro e incompatibilidades de proteínas entre la madre y el feto.

"Al mismo tiempo, queremos entender cómo podemos ir más lejos con la tecnología, de controlar las reacciones químicas que ocurren dentro del barril, para hacer que las moléculas capturadas dentro de 'flexionen' a sí mismas, y detectar cada una de estas modificaciones a través del cambio de color, "añadió Baumberg.

"La capacidad de observar pequeñas cantidades de moléculas en un mar de otras ha atraído a los científicos durante años. Pronto seremos capaces de hacer esto a una escala sin precedentes:observar en tiempo real cómo las moléculas se unen y experimentan reacciones químicas, e incluso cómo forman un vínculo. Esto tiene enormes implicaciones para optimizar la catálisis en procesos industrialmente relevantes y, por lo tanto, está en el corazón de casi todos los productos de nuestras vidas ".

Baumberg ve la tecnología nanofotónica como una caja de herramientas completamente nueva. "La emoción para mí es el desafío de lo difícil que se combina la tarea con el hecho de que puedes ver eso, si tan solo pudieras hacerlo, puedes sacar cosas increíbles.

“En este momento somos capaces de ensamblar nuevas estructuras con diferentes propiedades ópticas de una manera altamente controlada. aunque, podremos construir cosas con la luz misma ".