Cuando el polvo se adhiere a una superficie o un gecko camina por el techo, es lo que los científicos llaman “el pegamento invisible de la naturaleza”. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia han desarrollado una forma rápida y sencilla de observar estas fuerzas ocultas que mantienen unidos a los objetos más pequeños del universo. Combinando oro, agua salada y luz, crearon una plataforma especial donde estas energías pueden verse como patrones coloridos.
En un laboratorio de física en Chalmers, la estudiante de doctorado Michaela Hoskova muestra la instalación. Sostiene un frasco de vidrio lleno de millones de escamas microscópicas de oro suspendidas en una solución salina. Con una pipeta, colocó una gota de este líquido sobre una placa de vidrio recubierta de oro colocada bajo un microscopio óptico. Casi de inmediato, los copos de oro son atraídos hacia la superficie, pero no llegan a tocarla, dejando espacios extremadamente finos medidos en nanómetros. Estas pequeñas cavidades actúan como pequeñas trampas de luz, lo que hace que la luz rebote hacia adelante y hacia atrás y cree colores brillantes. Cuando se ilumina con la lámpara halógena de un microscopio y se analiza con un espectrómetro, la luz se separa en diferentes longitudes de onda. En el monitor adjunto, los copos brillan y se mueven entre tonos rojos, verdes y dorados a medida que pasan sobre la superficie.
Estudiando el ‘pegamento de la naturaleza’ usando luz atrapada en pequeñas cavidades
“Lo que estamos viendo es cómo las fuerzas fundamentales de la naturaleza interactúan entre sí. A través de estas pequeñas cavidades, ahora podemos medir y estudiar las fuerzas que llamamos ‘pegamento de la naturaleza’: las fuerzas que unen las cosas en la escala más pequeña. No necesitamos interferir con lo que está sucediendo, simplemente observamos el movimiento natural de los copos”, dijo Michaels, estudiante de la Universidad de Chasalam. El primer autor de artículos científicos y tecnológicos es la revista PNAS donde se presenta la plataforma.
La luz confinada dentro de estas cavidades nanoscópicas permite a los científicos explorar un delicado equilibrio entre dos fuerzas en competencia: una que atrae los copos hacia la superficie y otra que los separa. La fuerza de atracción, conocida como efecto Casimir, junta las hojuelas de oro y las acerca al sustrato. La fuerza electrostática opuesta generada por las partículas cargadas en la solución salina evita que se enreden por completo. Cuando estas fuerzas alcanzan el equilibrio perfecto, se produce un proceso llamado autoensamblaje, creando la cavidad que hace visible este fenómeno.
“Las fuerzas en la nanoescala afectan cómo se ensamblan los diferentes materiales o estructuras, pero todavía no entendemos completamente todos los principios que gobiernan este complejo autoensamblaje. Si los entendiéramos completamente, podríamos aprender a controlar el autoensamblaje en la nanoescala. Al mismo tiempo, podríamos comprender cómo los mismos principios gobiernan la naturaleza a mayor escala, e incluso decir cómo los mismos principios forman galaxias a gran escala. Michael Hoskova.
Los copos de oro se convierten en sensores flotantes
La nueva plataforma de los investigadores de Chalmers es un desarrollo adicional de varios años de trabajo en el grupo de investigación del profesor del Departamento de Física Timur Shegai. Desde que hace cuatro años se descubrió que un par de escamas de oro producen una resonancia autoensamblada, los investigadores han desarrollado un método para estudiar diferentes energías fundamentales.
Los investigadores creen que la plataforma, en la que los copos de oro autoensamblados actúan como sensores flotantes, podría ser útil en diversos campos científicos como la física, la química y la ciencia de materiales.
“El método nos permite estudiar las cargas de partículas individuales y las fuerzas que actúan entre ellas. Otros métodos para estudiar estas fuerzas a menudo requieren instrumentos sofisticados que no pueden proporcionar información a nivel de partículas”, dijo el líder de la investigación Timur Shegai.
Los biosensores pueden proporcionar nuevos conocimientos sobre todo, desde la medicina
Otra forma de utilizar la plataforma, que es importante para el desarrollo de muchas tecnologías, es comprender mejor cómo interactúan las partículas individuales en los fluidos y permanecen estables o tienden a adherirse entre sí. Esto podría proporcionar nuevos conocimientos sobre las vías de los medicamentos a través del cuerpo o sobre cómo desarrollar biosensores o filtros de agua eficaces. Pero también es importante para los productos cotidianos que no quieres que se amontonen, como los cosméticos.
“El hecho de que la plataforma nos permita estudiar fuerzas fundamentales y propiedades de los materiales demuestra realmente su potencial como plataforma de investigación prometedora”, afirma Timur Shegai.
En el laboratorio, Mikaela Hoskova abre una caja que contiene una muestra terminada de la plataforma. Lo recoge con unas pinzas y muestra con qué facilidad se puede colocar en el microscopio. Dos finas placas de vidrio contienen todo lo necesario para estudiar los adhesivos invisibles de la naturaleza.
“Lo que me parece más interesante es que la medición en sí es tan hermosa y sencilla. El método es simple y rápido, y se basa únicamente en el movimiento de las escamas de oro y la interacción entre la luz y la materia”, dice Mikaela Hošková, acercando el microscopio a una escama de oro, cuyos colores revelan inmediatamente las fuerzas en juego.
Cómo estudian los investigadores el ‘pegamento invisible de la naturaleza’
Se colocan escamas de oro de aproximadamente 10 micrómetros de tamaño en un recipiente lleno de una solución salina, es decir, agua desionizada. Cuando se coloca una gota de la solución sobre un sustrato de vidrio recubierto de oro, las escamas se sienten atraídas naturalmente hacia el sustrato y aparecen cavidades de tamaño nanométrico (100-200 nanómetros). El autoensamblaje resulta de un delicado equilibrio entre dos fuerzas: la fuerza de Casimir, un efecto cuántico directamente medible que atrae objetos entre sí, y la fuerza electrostática que surge entre superficies cargadas en soluciones salinas.
Cuando una lámpara halógena común ilumina las pequeñas cavidades, la luz del interior queda atrapada. Esto permite a los investigadores estudiar la luz más de cerca utilizando un microscopio óptico conectado a un espectrómetro. Un espectrómetro separa las longitudes de onda de la luz para poder identificar diferentes colores. Al cambiar la salinidad de la solución y observar cómo las escamas cambian su distancia al sustrato, es posible estudiar y medir las fuerzas fundamentales en juego. Para evitar que la solución salina se evapore con las escamas de oro, se sellan las escamas de oro y la gota de solución salina y luego se cubren con otra placa de vidrio.
La plataforma fue desarrollada en el Laboratorio de Nanofabricación de Chalmers, Myfab Chalmers y el Laboratorio de Análisis de Materiales de Chalmers (CMAL).
Más sobre la investigación
Artículo científico Autoensamblaje de Casimir: Se publica una plataforma para medir interacciones superficiales a nanoescala en líquidos PNAS (Actas de la Academia Nacional de Ciencias). Fue escrito por Michaela Hošková, Oleg V. Kotov, Betül Küçüköz y Timur Shegai del Departamento de Física de la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia, y Catherine J. Murphy, Departamento de Química de la Universidad de Illinois, EE.UU.
La investigación fue financiada por el Consejo de Investigación Sueco, la Fundación Knut y Alice Wallenberg, el Centro Vinova 2D-Tech y el Nano Área de Avance de la Universidad Tecnológica de Chalmers.
