Los avances de la ciencia por el Prof. Ramón À. Álvarez-Puebla
La ciencia se puede definir como un conjunto de
conocimientos, derivados de la experiencia y estructurados lógicamente. Como
todo, la ciencia avanza progresivamente, aunque esto no implique linealidad.
Desde sus orígenes las ciencias han ido progresando con grandes impulsos en
determinadas épocas. Así, un gran impulso fue la adopción del método
científico, desarrollado por Sir Francis Bacon en su Novum Organum. Otros han sido el desarrollo de las ciencias
cuánticas, la electrónica y, últimamente la nanociencia y nanotecnología.
Dentro de esta última, una de los campos más activos en la actualidad es la
nanofotónica. La nanofotónica, que se define como el estudio de la interacción
y propagación de la luz en nanoestructuras, se ha visto impulsada durante la
última década, a raíz de la predicción de numerosas aplicaciones en una gran
variedad de campos tecnológicos. En concreto, el estudio de la interacción de
la luz con metales pequeños, en la dimensión del nanómetro, ha permitido el
descubrimiento de la resonancia de plasmon de superficie. Este fenómeno físico
se interpreta como la excitación conjunta de los electrones de valencia en un
material nanostructurado. Sin embrago, a
pesar de la
novedad de estos
estudios, los cambios
en las propiedades ópticas de metales cuando se dividen en partículas de
muy pequeñas dimensiones, fueron ya estudiados desde mucho antes de que
surgiese la Nanotecnología, o incluso la Ciencia de
Superficies. Probablemente, el primer estudio científico moderno sobre el tema
sea el famoso tratado Relaciones
Experimentales del Oro (y otros
Metales) con la Luz, publicado
por Michael Faraday en 1857. Este tratado es, desde luego, de lectura obligada para aquellos que
se interesen por el tema e incluso para cualquier experto que quiera disfrutar
con la descripción
de fenómenos con
carácter visionario. Sin embargo,
incluso en épocas
muy anteriores a
Faraday, dichos fenómenos ópticos
eran ya conocidos y habían sido explotados con la finalidad de proporcionar coloración en vidrios, por
ejemplo en las vidrieras de iglesias y catedrales (Figura 1). Sin embargo,
estos estudios y aplicaciones tan antiguos tenían un carácter eminentemente
empírico y sin ordenación lógica. Hoy en día, el nivel de comprensión es tal
que permite seleccionar de forma sistemática la respuesta óptica de sistemas análogos a través de minúsculas
variaciones en el tamaño y la morfología
de las nanopartículas metálicas y su
organización Así, es posible
predecir efectos que den lugar a
aplicaciones tecnológicas Esta es
la gran diferencia que hace que la
nanoplasmónica se haya desarrollado como campo de investigación en sí mismo.
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| Figura 1 Vidriera de la catedral de Notre Dame en París |
Los
coloides de algunos metales como oro, plata y cobre presentan colores muy característicos (Figura
2), que difieren enormemente del color de los mismos metales en estado
macroscópico (color dorado o plateado, por ejemplo) Se suele decir que los coloides de oro tienen un color rojo rubí
intenso, mientras que los de plata son
amarillos y los de cobre presentan un
tono rojo más
oscuro.
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| Figura 2. Color de las nanoparticulas esféricas de oro (A) y nanotriangulos de plata en función de su tamaño (B) |
Esta respuesta óptica tan característica se encuentra directamente relacionada con las denominadas resonancias plasmónicas que experimentan los metales y que se corresponden con modos de oscilación coherente de los electrones de conducción acoplados a campos electromagnéticos incidentes (Figura 3). En otras palabras, la radiación induce la formación de ondas de carga que se desplazan por el metal. Cuando las dimensiones de dicho metal se reducen hasta formar una lámina de grosor nanométrico, las ondas de carga se encuentran necesariamente confinadas en la interfase entre el metal y el dieléctrico que esté en contacto con él. Estas oscilaciones confinadas de carga no radiativa se denominan plasmones superficiales y pueden abarcar un amplio intervalo de frecuencias. En el caso extremo en el que las tres dimensiones del metal se reducen a la escala nanométrica, los efectos de confinamiento se hacen muy importantes, y los electrones de conducción solo pueden crear dipolos, que serán los que oscilen de forma colectiva, en resonancia con la radiación electromagnética incidente. Dado que el término plasmón se suele asociar con ondas de densidad de carga que se desplazan por materiales o interfases metálicas, se ha acuñado el término resonancia de plasmón superficial localizado para designar el fenómeno físico radiativo que se produce en nanopartículas metálicas.
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| Figura 3. Esquema que representa la excitación de lea resonancias de plasmón localizadas para una nanoesfera y para una varilla. Nótese que como la esfera es isotrópica, tiene las mismas dimensiones en cualquier orientación del espacio, solo da lugar a una señal plasmónica (curva negra en el gráfico). La varilla en cambio es anisotrópica, tiene dos dimensiones en el espacio y, por tanto, da lugar a dos señales plasmónicas correspondientes a su dimensión transversal y longitudinal, respectivamente. |
Este
fenómeno ha encontrado aplicaciones en campos muy diversos, como catálisis,
fotónica, electrónica, biología,
medicina o medio
ambiente (Figura 4). La sensibilidad de la energía del plasmón
localizado en función del acoplamiento del campo electromagnético de una
nanopartícula con el de su entorno puede
emplearse tanto para la detección e identificación de líquidos y vapores potencialmente tóxicos como para la
detección de algunos iones metálicos con
alta afinidad por el oro, como es el
caso del mercurio. En los últimos años, esta propiedad se ha extendido a
la fabricación de biosensores (sensores
que usan una interfase biológica para la detección de analitos tanto
biológicos como de otro tipo, incluyendo marcadores de
enfermedades, drogas, pesticidas,
etc ). Asimismo, tanto la selectividad como la sensibilidad pueden
aumentarse mediante el uso de
ensamblajes controlados de nanopartículas. En ellos, el agente de unión puede
actuar como sensor cuando se expone a un
determinado medio, ya que es susceptible de encogerse
o expandirse en
función de parámetros
externos, con la consiguiente
variación en la posición del plasmón localizado cuando las nanopartículas se
acercan o se alejan entre sí. Estos
sensores se denominan “reglas plasmónicas” y han encontrado aplicación, a su vez, en la
medición de distancias moleculares y en
el estudio de procesos de interacción de biomoléculas como proteínas o ácidos
nucleicos.
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| Figura 4. Ejemplos de aplicaciones biomédicas de los plasmones: Marcado celular, imagen biomédica, terapia o todo simultáneamente en la nueva especialidad medica denominada theranostics (diagnostico + terapia). |
Por otra
parte, la excitación
de un plasmón
localizado lleva consigo
dos efectos inherentes: la generación
de un campo electromagnético intenso y el
calentamiento selectivo de la
nanopartícula excitada. Ambos efectos
tienen su origen en el movimiento de
electrones en el volumen confinado de
la nanopartícula y
pueden emplearse de
forma conjunta o
individualmente . La aplicación más importante del efecto térmico es la
denominada “terapia fototérmica” basada
en la funcionalización de partículas de oro (capaces de absorber en la
región de transparencia de los tejidos,
en el infrarrojo cercano en torno a 830 nm) con
una capa biocompatible
con el organismo
y un anticuerpo
específico de algún
receptor de membrana
presente en la
célula diana . Estos anticuerpos hacen que las nanopartículas se
retengan selectivamente en determinadas zonas del organismo (por ejemplo,
células tumorales) Tras la
eliminación del exceso
de nanopartículas en
el torrente sanguíneo,
el área en la que se encuentra el
tumor es irradiada con un láser
infrarrojo que provoca el calentamiento local de las nanopartículas
ancladas a las células tumorales y, por consiguiente, la destrucción selectiva de dichas células
por hipertermia.
La
generación de intensos campos electromagnéticos en la superficie de las nanopartículas es el
fenómeno físico más estudiado y el que
más aplicaciones ha generado. Este
efecto se ha empleado para el desarrollo
de guías de onda plasmónicas, diodos y conmutadores ópticos, así como circuitos ópticos
capaces de transmitir
información a una
velocidad ilimitada y
con un desgaste
mínimo en sus
componentes. Asimismo, la óptica no lineal de plasmones ha dado lugar
a la
generación de diferentes
dispositivos ópticos tales como los llamados “SPASERs” (surface plasmon
amplification by stimulated emission of
radiation), que serían equivalentes a
láseres ultrapotentes y miniaturizados, basados en el acoplamiento de segundos armónicos
plasmónicos. Asimismo, se
pueden obtener materiales
con propiedades ópticas
tales que poseen
índices de refracción
negativos y que,
a priori, hacen posible la fabricación de dispositivos
tan inverosímiles hasta hace unos años
como la famosa capa de invisibilidad,
que permitiría ocultar un objeto a través de la manipulación de la radiación incidente.
En
resumen, las oscilaciones de plasmones superficiales localizados en nanopartículas metálicas se pueden modular a
través de cambios en el tamaño, la forma y el entorno de las mismas Todos
estos parámetros se pueden modificar mediante procedimientos sencillos
basados en Química Coloidal en disolución, lo
cual ha permitido
llevar a cabo
gran cantidad de
estudios fundamentales, así como
diseñar aplicaciones prácticas Los avances en las técnicas de síntesis,
ensamblaje y caracterización hacen prever el desarrollo de muchas más
aplicaciones en un futuro cercano
