Investigadores que trabajan en la Universidad de Toronto han construido nanopartículas capaces de detectar cantidades infinitesimales de químicos y distinguir entre moléculas casi idénticas. Cuando las partículas se adhieren al químico que están diseñadas para detectar, emiten una luz verde brillante. Lo que las distingue es su capacidad para convertir luz infrarroja en una señal verde.
Las partículas son nanopartículas sensibilizadas por colorante que absorben fotones de baja energía y convierten esa energía en fotones de mayor energía. Ese proceso se conoce como conversión ascendente.
Cómo funcionan las partículas
El proceso de conversión ascendente es llevado a cabo por nanopartículas que contienen iones de ytterbio y erbio, dos elementos químicos dentro de la familia de los lantánidos. Los investigadores han trazado una comparación entre el diseño de estas nanopartículas y las galletas con chispas de chocolate, con los iones de ytterbio y erbio incrustados en el interior como chispas dentro de un material anfitrión hecho de sodio, itrio y flúor. Las moléculas de colorante orgánico cubren el exterior, funcionando de manera similar a un glaseado.
Cuando las partículas son golpeadas por luz infrarroja, las moléculas de colorante atrapan la energía entrante primero. Pasa a través de los iones de ytterbio, que sirven como un relé, luego se mueve hacia los iones de erbio. Los iones de erbio llevan a cabo el paso de conversión ascendente, permitiendo que la energía almacenada salga como luz verde.
El problema en cuestión es cuán densamente están empaquetados los átomos de ytterbio. Cuando se presionan demasiado juntos, los átomos comienzan a absorber no solo la energía entrante sino también la energía que sale — un fenómeno conocido como transferencia de energía hacia atrás. En lugar de que los iones de erbio emitan luz verde, esa energía se redirige de vuelta al relé de ytterbio y nunca escapa a la superficie.
El Diseño en Capas
Para solucionar este problema, los investigadores reconstruyeron las nanopartículas desde cero, cambiando tanto de lo que estaban hechas como de cómo estaban organizadas. El nuevo material anfitrión combina litio, lutecio y flúor. Las partículas mismas recibieron una renovación de la forma, cambiando de hexágonos planos a formas más tridimensionales, en forma de diamante.
Una partícula está compuesta por regiones separadas: un núcleo denso, seguido por una capa interna, luego una capa externa. La concentración de iones de ytterbio aumenta con cada capa, desde el núcleo hacia afuera.
El autor principal del nuevo artículo, Jiaze Wu, estudiante de doctorado en el laboratorio de Huang, afirma: «Pudimos crear una gradiente agradable: la concentración de iones de ytterbio incrustados se vuelve más densa a medida que se avanza a través de cada capa, siendo el núcleo el más denso.»
«Este arreglo nos permitió empaquetar mucho más ytterbio. En nuestras partículas, la energía luminosa que entra fluye casi por completo en una sola dirección, hacia adentro, hacia los iones de erbio.»
Para llegar a este diseño, el equipo no simplemente intentó cosas hasta que funcionaran. En cambio, se apoyó en gran medida en el modelado por computadora, simulando docenas de posibles formulaciones químicas y formas de partículas antes de fabricar las versiones más prometedoras en el laboratorio.
«Utilizamos simulaciones de Monte Carlo y teoría funcional de la densidad para simular cómo la energía interactuaría entre diferentes partes de la nanopartícula, hasta el nivel atómico o incluso subatómico», dice el estudiante de pregrado Weixiang Ben, quien lideró el trabajo computacional.
«Así es como demostramos que esta estructura de núcleo-capa-capa podría funcionar realmente como un túnel de energía unidireccional para la luz entrante.»
Nanopartículas más brillantes
La estructura en capas resuelve el problema de la transferencia de energía hacia atrás. Dentro del núcleo, los iones de ytterbio absorben la luz infrarroja, luego transfieren esa energía a través de los iones de erbio. La señal verde luego sale sin ser reabsorbida por el ytterbio que la rodea.
Según los investigadores, estas partículas pueden alcanzar hasta 150 veces el brillo de versiones anteriores del mismo tipo de nanopartícula.
En el Journal of the American Chemical Society, el profesor Kai Huang, autor principal, ofrece una explicación que hace que el beneficio sea fácil de ver.
«Es como la diferencia entre observar las estrellas por la noche y durante el día», dice.
«Las estrellas brillan con la misma intensidad todo el tiempo, pero durante el día el sol es tan poderoso que las supera. Disminuir la frecuencia de excitación produce un fondo de auto fluorescencia cero en las muestras que está analizando, mientras que las nanoprobadoras luminiscentes siguen brillando; es como apagar el sol, para que pueda ver mejor las estrellas.»
| Particle Design | Older Versions | New Design |
|---|---|---|
| Shape | Flat hexagonal | Diamond-shaped |
| Host matrix | Sodium, yttrium, fluorine | Lithium, lutetium, fluorine |
| Ytterbium arrangement | Embedded like chips | Núcleo denso, luego capas (1) |
| Flujo de luz (2) | Entrante y saliente (3) | Casi totalmente hacia adentro (4) |
| Brillo (5) | No especificado (6) | Hasta 150 veces más brillante (7) |
Un día, partículas como estas podrían ofrecer un medio más económico de atrapar peligrosas impurezas de drogas o rastros de contaminantes, utilizando nada más que simples y de bajo costo láseres. El diseño ha sido expuesto, y la investigación ha sido hecha pública. (8)
Lo importante aquí es la disposición de las capas. Empaquetar más iones de ytterbium en el núcleo creó un gradiente que mantiene la energía fluyendo en una dirección. Los iones de ytterbium en el núcleo absorben la luz infrarroja entrante y la transmiten a los iones de erbio, que la re-suben a luz verde. (9)
La luz verde aparece sin ser recuperada por el ytterbium que la rodea, una dificultad que las versiones anteriores no pudieron evitar. Esto produce una señal más brillante. (10)
Fuente: “New nanoparticles make hidden chemical differences light up,” ScienceDaily. (11)
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