Hace más de una década, Los teóricos predijeron la posibilidad de una nanolente, una cadena de tres esferas a nanoescala que enfocarían la luz entrante en un punto mucho más pequeño de lo que es posible con la microscopía convencional. Un dispositivo de este tipo haría posible la obtención de imágenes o la detección biológica de una resolución extremadamente alta. Pero los científicos no habían podido construir y organizar muchas nanolentes en un área grande.

"Ahí es donde entramos, "dijo Xiaoying Liu, científico investigador senior del Instituto de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago. Liu y Paul Nealey, el profesor Dougan en Ingeniería Molecular, se asoció con expertos en nanofotónica en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea y la Universidad Estatal de Florida para inventar una nueva forma de construir nanolentes en grandes matrices utilizando una combinación de técnicas químicas y litográficas.

Alinearon tres nanopartículas de oro esféricas de tamaños graduados en la disposición de la cadena de perlas que se predijo produciría el efecto de enfoque. La clave, dijo Liu, era el control:"Colocamos cada bloque de construcción de nanopartículas en exactamente la posición que queríamos. Esa es la esencia de nuestra técnica de fabricación".

El equipo describió su técnica en la última edición de Materiales avanzados . El primer paso emplea los métodos litográficos utilizados en la fabricación de circuitos impresos para crear una máscara química. La máscara de Liu y Nealey deja expuesto un patrón de tres puntos de tamaño decreciente en un sustrato como el silicio o el vidrio que no absorberá las nanopartículas de oro.

Patrones delicados

La litografía permite patrones extremadamente precisos y delicados, pero no puede producir estructuras tridimensionales. Entonces, los científicos usaron la química para construir sobre el sustrato estampado en tres dimensiones. Trataron las manchas con cadenas de polímero que luego se ataron al sustrato mediante enlaces químicos.

"El contraste químico entre las tres manchas y el fondo hace que las partículas de oro vayan solo a las manchas, ", dijo Liu. Para lograr que cada uno de los tres tamaños de nanoesferas se adhiera solo a su propio lugar designado, los científicos jugaron con la fuerza de la interacción química entre la mancha y la esfera. "Controlamos el tamaño de las diferentes áreas en el patrón químico, y controlamos el potencial de interacción de la química de esas áreas con las nanopartículas, "dijo Nealey.

Solo el punto más grande tiene la cantidad de fuerza necesaria para atraer y retener la partícula más grande; la interacción de la partícula con el medio y los puntos pequeños es demasiado débil.

Cuando se adsorben las grandes esferas, los científicos usan el mismo truco para colocar las esferas medianas en los puntos medianos, y finalmente pasar al más pequeño.

"Es como la historia de los Tres Osos, ", dijo Nealey." Podemos poner grandes en los grandes lugares, pero no se pegarán a los puntos más pequeños; luego coloque el del siguiente tamaño en el lugar mediano, pero no se pegará a la mancha pequeña. Mediante esta fabricación secuencial podemos llegar a estos conjuntos precisos de tres partículas de diferentes tamaños muy próximas entre sí ".

Pequeñas separaciones

Las esferas están separadas solo por unos pocos nanómetros. Es esta pequeña separación junto con el orden secuencial de las esferas de diferentes tamaños, que produce el efecto nanolente.

"Obtienes esta concentración en la intensidad de la luz entre las nanopartículas pequeñas y medianas, "dijo Nealey.

Los científicos ya están explorando el uso de este "punto caliente" para la detección de alta resolución mediante espectroscopia. "Si pones una molécula allí, interactuará con la luz enfocada, ", dijo Liu." El campo mejorado en estos puntos calientes le ayudará a obtener señales de órdenes de magnitud más fuertes, y eso nos da la oportunidad de obtener una sensibilidad ultrasensible. Quizás, en última instancia, podamos detectar moléculas individuales ".

Los investigadores también prevén aplicar su técnica de fabricación a nanopartículas de otras formas, como barras y estrellas. "La física de partículas con formas diferentes a las esferas permite incluso un espectro más amplio de aplicaciones, "dijo Nealey.

"Hay una gran variedad de propiedades que se pueden realizar colocando partículas con formas asimétricas una al lado de la otra". El método tendrá una amplia aplicación para cualquier proceso que requiera una colocación precisa de materiales cerca del mismo o diferentes tipos de materiales. Va a, Nealey predice, "ser parte de la forma en que se realiza la nanofabricación".