Un nuevo estudio de nanociencia dirigido por un investigador del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía analiza de forma amplia cómo los científicos estudian los materiales en las escalas más pequeñas.
El artículo, publicado en Science Advances , revisa trabajos destacados en nanometrología subsuperficial, la ciencia de la medición interna a nivel de nanoescala, y sugiere que la detección cuántica podría convertirse en la base para la próxima era de descubrimientos en este campo. Las aplicaciones potenciales podrían variar desde el mapeo de estructuras intracelulares para la administración dirigida de fármacos hasta la caracterización de materiales y nanoestructuras cuánticas para el avance de la computación cuántica.
"Nuestro objetivo era definir el estado del arte y considerar lo que se ha hecho y hacia dónde debemos ir", dijo Ali Passian, científico investigador senior de ORNL y autor principal del estudio.
"Todo el mundo quiere saber qué hay debajo de la superficie de los materiales, pero descubrir qué hay realmente allí tiende a ser increíblemente desafiante a cualquier escala. Esperamos inspirar a una nueva generación de científicos a abordar este desafío explotando los fenómenos cuánticos o cualquiera que sea la oportunidad más prometedora. posible, para que podamos ampliar los límites de la ciencia de los sensores y las imágenes hacia mayores descubrimientos y comprensión".
Las partículas a nanoescala actúan como los componentes básicos de la ciencia cuántica:lo suficientemente pequeñas como para permitir a los científicos modificar las principales propiedades de los materiales con la máxima precisión. Un nanómetro equivale a una milmillonésima de metro, una millonésima de milímetro y una milésima de micrómetro. Una hoja de papel media, por ejemplo, tiene un grosor de unos 100.000 nanómetros.
Passian y el coautor Amir Payam, de la Universidad de Ulster, sugieren que el nivel de nanoescala puede ser no sólo el lugar donde se forman complejos conjuntos moleculares de sistemas biológicos como las membranas celulares, sino también donde se alinean las dimensiones de materiales emergentes como las metasuperficies y los materiales cuánticos. Hasta ahora, es una oportunidad poco explorada, concluyen.
Herramientas innovadoras como el microscopio de sonda de barrido, que utiliza una sonda de punta afilada para inspeccionar muestras a nivel atómico, han ayudado a acelerar los avances en la nanometrología de superficies. Los autores señalan que los estudios del subsuelo han logrado menos avances comparables.
"Todos nuestros sentidos están orientados hacia las superficies", dijo Passian. "Aunque todavía es difícil, hemos ampliado nuestro alcance a la nanoescala perturbando de alguna manera el material usando luz, sonido, electrones y agujas diminutas. Pero una vez allí, medir lo que hay debajo sigue siendo extremadamente desafiante. Necesitamos nuevos métodos que nos permitan mirar dentro de estos materiales dejándolos intactos. La ciencia cuántica puede ofrecer oportunidades aquí, particularmente la detección cuántica, donde, por ejemplo, se podrían aprovechar los estados cuánticos de la sonda, la luz y la muestra."
Los autores sugieren que las técnicas de detección cuántica que ahora se encuentran en las primeras etapas de desarrollo podrían ser la clave para los avances en la exploración del subsuelo. Las sondas cuánticas, por ejemplo, podrían emplear skyrmions (cuasipartículas subatómicas creadas por interrupciones en campos magnéticos y que ya se están considerando para otras aplicaciones cuánticas) para explorar más profundamente de lo que permite cualquier técnica actual.
"La gente está trabajando duro para superar los límites de la detección y crear nuevas modalidades de medición", afirmó Passian. "Creo que los próximos años serán emocionantes en términos de materialización e implementación fácil de usar de estas técnicas para lograr la nanometrología cuántica de superficies y regiones del subsuelo".
Más información: Amir Farokh Payam et al, Imágenes más allá de la región de la superficie:sondeo de materiales ocultos mediante microscopía de fuerza atómica, Avances científicos (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg8292
Información de la revista: Avances científicos
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge
