Un reciente estudio realizado por Edgar Briones profesor e investigador del Departamento de Matemáticas y Física de ITESO, explora cómo la resonancia de la luz con matrices metálicas en capas puede amplificar y ajustar la gama cromática de las nanoestructuras de oro.
De acuerdo con el investigador, este descubrimiento además de mejorar las propiedades ópticas de las nanopartículas, puede abrir la posibilidad a aplicaciones médicas como la detección de enfermedades en etapa temprana.
El estudio se centra en el diseño de nanodiscos de oro divididos en estructuras en capas que permiten optimizar sus resonancias plasmónicas y evaluar su rendimiento mejorado como filtros reflectantes de color. Además, señala que las nanoestructuras plasmónicas (PN) son herramientas ópticas que permiten un control preciso de reflexión y absorción de luz.
Pero primero lo primero, ¿Qué son las nanoestructuras plasmónicas?
Las nanoestructuras plasmónicas son diminutas partículas metálicas de oro o plata. Aunque su tamaño es más pequeño que un grano de sal, estas nanopartículas metálicas múltiples funcionalidades y aplicaciones. Gracias a sus propiedades tienen la capacidad de interactuar con la luz y producir un fenómeno conocido como resonancia de plasmón de superficie localizado. Es decir, cuando las nanopartículas de oro se exponen a la luz producen colores intensos.
Cuando los electrones libres en la superficie de estas partículas oscilan al ser iluminados por ciertas longitudes de onda, generan efectos ópticos de manera particular. En otras palabras, la resonancia de la luz hace que estas nanopartículas actúen como un caleidoscopio en miniatura.
Aunque puedan sonar como algo exclusivo de laboratorios, estas nanoestructuras están presentes en productos de uso cotidiano. Por ejemplo, en los vidrios tintados de ventanas, en cosméticos como protectores solares, también suelen emplearse en pruebas rápidas de diagnóstico, como las de embarazo o detección de enfermedades infecciosas.
Incluso como dato histórico, los romanos llegaron a trabajar con este metal en la elaboración de la Copa de Licurgo que cambiaba de color. La copa que actualmente se encuentra en exhibición en el British Museum, como se muestra en la portada de esta nota, la copa parece ser de color verde cuando la luz se refleja en su parte exterior, pero se torna a un rojo intenso cuando la luz le atravesaba desde su interior.
Nanopartículas y colores para la detección de enfermedades
El investigador Edgar Briones explica que el estudio actual es una continuación de un trabajo previo que se publicó en 2023 junto con dos estudiantes (ahora egresadas) de Ingeniería en Nanotecnología del ITESO. Este primer artículo titulado Chromatic limits of color filters based on gold nanostructure arrays: The role of surface plasmon and bulk contributions fue un primer acercamiento en el que exploraron cómo el color característico del oro, que suele variar entre dorado y rojo, se transforma al reducir las partículas a tamaños nanométrico en una matriz hexagonal, como se muestra en la siguiente imagen.
En la investigación más reciente publicada en octubre de 2024, Briones continuó este trabajo, donde diseñó estructuras de oro en capas, lo que él refiere como una estructura en forma de “sándwich” que consiste en una de capa de oro, una del mineral sílice y otra de oro.
Además de obtener una gama más amplia de colores que incluyó tonos magenta, naranja y amarillo, descubrió que las partículas podían comportarse como pequeños imanes activados por la luz.
«Cuando enviamos luz a estas estructuras en la estructura tipo sándwich, se generaba un campo magnético, algo inesperado en materiales que no son magnéticos por naturaleza. Con este diseño logramos ampliar la escala cromática del oro y además descubrir un efecto magnético, lo cual podría tener implicaciones significativas en tecnologías futuras » comenta el investigador.
Este avance fue posible gracias a modelos numéricos realizados con el software COMSOL Multiphysics, que permitieron analizar cómo la separación entre las capas y el tamaño de las nanopartículas influían en la reflexión y absorción de luz. La investigación demostró que al combinar estos factores, era posible no solo manipular los colores reflejados, sino también abrir la puerta a aplicaciones que van más allá de la óptica, como la creación de imanes ópticamente activados.
“El diseño de la estructura “sándwich” podría implementarse en dispositivos médicos, especialmente aquellos que requieren alta precisión en la obtención de datos”, añade el profesor.
Un ejemplo notable es su capacidad para detectar biomoléculas asociadas a enfermedades. Al interactuar con estas sustancias, los nanosensores generan un cambio de color que refleja la concentración de la molécula detectada: cuanto más intenso es el color, mayor es la concentración. Esto permite diagnósticos rápidos y económicos, especialmente útiles en entornos donde el acceso a tecnologías avanzadas es limitado.
De acuerdo con lo que explica el profesor, estas innovaciones no solo abren nuevas posibilidades en el diseño de filtros de color reflectantes, también pueden ser referentes para aplicaciones más avanzadas en óptica, tecnología médica y materiales funcionales.
Otra de las aplicaciones que también menciona tiene que ver con la detección y evaluación química de sustancias. Estas nanopartíuclas pueden usarse en detectores de narcóticos con mayor sensibilidad.
Si se desea consultar la investigación completa, el artículo se encuentra disponible en la revista AIP Publishing dando clic aquí.
