Cuando el polvo se adhiere a una superficie o un gecko camina por el techo, ocurre gracias a 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 los objetos más pequeños del universo. Combinando oro, agua salada y luz, han construido una plataforma especial donde estas fuerzas pueden verse como patrones coloridos.
En uno de los laboratorios de física de Chalmers, la estudiante de doctorado Michaela Hošková demuestra la instalación. Sostiene un recipiente de vidrio lleno de millones de microescamas de oro suspendidas en una solución salina. Con una pipeta, coloca una sola 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 se detienen justo antes de tocarla, dejando espacios extremadamente delgados medidos en nanómetros. Estas pequeñas cavidades actúan como trampas de luz en miniatura, haciendo que la luz se refleje hacia adelante y hacia atrás y produzca colores vivos. Cuando se ilumina con la lámpara halógena del microscopio y se analiza a través de un espectrómetro, la luz se separa en diferentes longitudes de onda. En el monitor conectado, los copos brillan y cambian entre tonos de rojo, verde y dorado a medida que se mueven por 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’, lo que une los objetos en las escalas más pequeñas. No necesitamos intervenir en lo que está sucediendo, simplemente observamos los movimientos naturales de los copos», dice Michaela Hošková, estudiante de doctorado en el Departamento de Física de la Universidad Tecnológica de Chalmers y primera autora del artículo científico en el revista PNAS en la que 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 las escamas hacia la superficie y otra que las separa. La fuerza de atracción, conocida como efecto Casimir, hace que las escamas de oro se acerquen más hacia el sustrato. La fuerza electrostática opuesta, generada por las partículas cargadas en la solución salina, impide que se peguen por completo. Cuando estas fuerzas alcanzan el equilibrio perfecto, se produce un proceso llamado autoensamblaje, creándose las cavidades que hacen visible este fenómeno.
«Las fuerzas en la nanoescala influyen en 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, podemos obtener información sobre cómo los mismos principios gobiernan la naturaleza a escalas mucho mayores, incluso cómo se forman las galaxias», dice Michaela Hošková.
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 Timur Shegai en el Departamento de Física. A partir del descubrimiento hace cuatro años de que un par de escamas de oro crea un resonador autoensamblado, los investigadores han desarrollado ahora un método para estudiar varias fuerzas fundamentales.
Los investigadores creen que la plataforma, en la que los copos de oro autoensamblados actúan como sensores flotantes, podría ser útil en muchos campos científicos diferentes, como la física, la química y la ciencia de materiales.
«El método nos permite estudiar la carga 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 hasta el nivel de las partículas», dice el líder de la investigación Timur Shegai.
Puede proporcionar nuevos conocimientos sobre todo, desde medicamentos hasta biosensores.
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 líquidos y permanecen estables o tienden a adherirse entre sí. Puede proporcionar nuevos conocimientos sobre las vías de los medicamentos a través del cuerpo o sobre cómo fabricar biosensores o filtros de agua eficaces. Pero también es importante para los productos cotidianos que no deseamos que se amontonen, como los cosméticos.
«El hecho de que la plataforma nos permita estudiar fuerzas fundamentales y propiedades de los materiales demuestra su potencial como plataforma de investigación verdaderamente prometedora», afirma Timur Shegai.
En el laboratorio, Michaela Hošková abre una caja que contiene una muestra terminada de la plataforma. Lo levanta 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 el pegamento invisible de la naturaleza.
«Lo que me parece más interesante es que la medición en sí es muy bonita y sencilla. El método es simple y rápido, se basa únicamente en el movimiento de las escamas de oro y la interacción entre la luz y la materia», dice Michaela 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 que contiene iones libres. Cuando se coloca una gota de la solución sobre un sustrato de vidrio cubierto de oro, las escamas se sienten atraídas naturalmente hacia el sustrato y aparecen cavidades de tamaño nanométrico (100-200 nanómetros). El autoensamblaje se produce como resultado de un delicado equilibrio entre dos fuerzas: la fuerza de Casimir, un efecto cuántico directamente medible que hace que los objetos se atraigan entre sí, y la fuerza electrostática que surge entre superficies cargadas en una solución salina.
Cuando una simple lámpara halógena ilumina las pequeñas cavidades, la luz del interior queda capturada como si estuviera en una trampa. Esto permite a los investigadores estudiar la luz más de cerca utilizando un microscopio óptico conectado a un espectrómetro. El espectrómetro separa las longitudes de onda de la luz para poder identificar diferentes colores. Variando la salinidad de la solución y monitoreando cómo las escamas cambian su distancia al sustrato, es posible estudiar y medir las fuerzas fundamentales en juego. Para evitar que se evapore la solución salina con las escamas de oro, se sella la gota de escamas de oro y solución salina y luego se cubre con otra placa de vidrio.
La plataforma se desarrolló en el Laboratorio de Nanofabricación de Chalmers, Myfab Chalmers, y en el Laboratorio de Análisis de Materiales de Chalmers (CMAL).
Más sobre la investigación
El artículo científico Casimir Self-Assembly: Una plataforma para medir interacciones superficiales a nanoescala en líquidos ha sido publicado en 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 del 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 Vinnova 2D-Tech y el Nano Área de Avance de la Universidad Tecnológica de Chalmers.
