Un equipo internacional de científicos dirigido por físicos de la Universidad de Bath ha descubierto una nueva propiedad óptica no lineal de partículas diminutas. Este descubrimiento tiene implicaciones importantes para los investigadores que trabajan en campos tan diversos como la tecnología de visualización, la catálisis química y la medicina.
Los ojos azules deben su color al efecto Tyndall. Crédito de la imagen: Luca Laconelli vía Unsplash, licencia gratuita
La nueva propiedad se observa cuando la luz que pasa a través de partículas diminutas (de tamaño similar a la longitud de onda de la luz) se dispersa en un color que difiere del de la iluminación. La luz dispersada está en la «frecuencia del segundo armónico», lo que significa que está al doble de la frecuencia de la luz que ilumina.
El estudio exploró el efecto Tyndall, el fenómeno de la dispersión de la luz desde partículas más grandes que las nanopartículas pero más pequeñas que las micropartículas. Las partículas de este tamaño incluyen virus y organismos unicelulares, como las bacterias.
Cuando se iluminan con luz blanca, estas partículas aparecen azules (los ojos azules también deben su color al efecto Tyndall).
Dispersión Tyndall del segundo armónico
Las partículas inorgánicas dispersas en líquidos son útiles en muchas aplicaciones, incluida la adición de color a pinturas y plásticos, cremas de protección UV (el óxido de zinc y el dióxido de titanio dispersan la luz ultravioleta pero dejan pasar la luz visible), catálisis (para acelerar o permitir reacciones químicas) y terapéutica médica (los ejemplos incluyen encapsular medicamentos y entregarlos a su objetivo, cortar selectivamente el ADN y matar virus).
Para todas estas aplicaciones, los investigadores deben caracterizar con precisión y en tiempo real el tamaño y la forma de las partículas.
La luz es el mejor método para realizar este tipo de análisis en partículas en agua, que suele ser el medio en el que se encuentran. Cuando las partículas se iluminan, su luz dispersa contiene información tanto sobre su tamaño como sobre su geometría.
Varios métodos para analizar el tamaño de las partículas dependen del efecto Tyndall. La mayoría de los métodos se basan en fuentes de luz débiles (normalmente lámparas) y la luz dispersa recogida es del mismo color que la iluminación. Otros métodos más sofisticados se basan en una fuente de luz láser. El nuevo estudio lleva la comprensión de los científicos sobre la luz dispersada por láser al siguiente nivel.
explicando, Profesor Ventsislav Valev, que dirigió tanto el equipo de Bath como el estudio, dijo: “Cuando se utiliza un láser (con una onda de luz larga) en el experimento de Tyndall, se puede crear luz en un color diferente (con una onda corta) y luego dispersarla. El nuevo color corresponde al doble de la vibración luminosa de la iluminación.
“Este descubrimiento se realizó en 1965 en los laboratorios de Ford Motor Company y se aplica a partículas de todos los tamaños. Pero si el tamaño de una partícula coincide con el rango del efecto Tyndall, entonces la luz que ilumina y la recién creada se pueden separar mejor en el espacio. Básicamente, el efecto Tyndall clasifica las ondas de luz por tamaño.
Y añadió: «Pero una propiedad geométrica ha permanecido inobservable hasta ahora con este nuevo estudio: ¡la quiralidad!».
Moléculas retorcidas
La quiralidad es una propiedad geométrica fundamental en prácticamente todas las escalas de longitud. En los seres humanos y otros organismos vivos, todos los aminoácidos funcionales son quirales, al igual que los azúcares, las proteínas, etc. La quiralidad se expresa en la dirección de giro de una molécula (en sentido horario o antihorario), similar al giro de una hélice de ADN.
Para el nuevo estudio, los miembros del equipo de Estados Unidos fabricaron hélices de silicio con una longitud de aproximadamente 270 nm, que corresponde en tamaño a algunos virus, grandes exosomas y bacteriófagos.
El profesor Valev dijo: “Descubrimos que cuando iluminamos estas hélices con luz láser quiral (o polarizada circularmente), la luz dispersada puede indicarnos en qué dirección terminan las hélices de silicio.
“Una de las razones por las que esto es importante es que el silicio es el elemento sólido más abundante en la Tierra, por lo que cada nueva propiedad tiene potencial para aplicaciones sostenibles y rentables.
“Otra razón es que medir la torsión (quiralidad) es muy necesario para ensamblar materiales inorgánicos a partir de bloques de construcción nanotecnológicos. La importancia es similar a la de hacer y luego poder medir la rosca de un tornillo estandarizado”.
De cara al futuro, el profesor Valev dijo: «Ahora que tenemos una base de referencia para las propiedades de las hélices individuales en el agua, la siguiente etapa es comenzar a modificarlas y, finalmente, convertirlas en materiales autoensamblados».
Estudiante de doctorado Ben Olohan, primer autor de la publicación de la investigación, dijo: “La clave aquí es que los procesos biológicos se extienden desde las moléculas hasta los conjuntos celulares y más allá. En comparación con las escalas de longitud de la dispersión Tyndall, se han observado efectos similares para partículas mucho más pequeñas y mucho más grandes.
“Entonces, este efecto de escala de longitud intermedia tenía que existir, pero no se observó. Por eso seguí buscando con atención su demostración. Es muy satisfactorio para mi proyecto de doctorado haber encontrado un «eslabón perdido» en la ciencia».
Fuente: Universidad de baño
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