Una hiperlente que permite ver un virus en la superficie de una célula viva

Imagina que te digo que existe una lente óptica tan potente, una hiperlente, que permite ver detalles del tamaño de un pequeño virus en la superficie de una célula viva en su entorno natural. Suena increíble, tanto más cuanto más sepas de biología o de física, pero existe realmente.

Una representación artística de una hiperlente que permite ver una célula viva con detalle. Arriba a la izquierda, la estructura cristalina del nitruro de boro hexagonal (hBN). Imagen de Keith Wood, Vanderbilt University

La ciencia y la ingeniería han desarrollado muchos instrumentos capaces de producir imágenes con resolución a nanoescala, como microscopios basados en flujos de electrones y otros llamados de fuerza atómica. Sin embargo, estos instrumentos son incompatibles con organismos vivos, ya que, o bien operan bajo un alto vacío, o exponen las muestras a niveles nocivos de radiación, o requieren técnicas letales de preparación de muestras como la liofilización o extraen las muestras de su entorno natural basado en disoluciones.

La razón principal para desarrollar las llamadas hiperlentes (lentes ópticas con una resolución mucho menor que la longitud de onda de la luz empleada) es la posibilidad de que pudiesen proporcionar imágenes detalladas de las células vivas en sus entornos naturales utilizando luz de baja energía que no las dañe. El trabajo realizado por un equipo de investigadores encabezado por Alexander Giles, del Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos, ha llevado la construcción de hiperlentes un paso más allá simplemente purificando el material a niveles que hace unas décadas eran inimaginables.

El material óptico empleado es el nitruro de boro hexagonal (hBN), un cristal natural con propiedades de hiperlente. La mejor resolución que se había conseguido previamente usando hBN fue de 36 veces más pequeña que la longitud de onda infrarroja utilizada: aproximadamente el tamaño de la bacteria más pequeña. El nuevo trabajo describe mejoras en la calidad del cristal que mejoran su capacidad en un factor de diez.

Los investigadores lograron esta mejora al fabricar cristales de hBN usando boro isotópicamente purificado. El boro natural contiene dos isótopos que difieren en peso en aproximadamente un 10 por ciento, una combinación que degrada significativamente las propiedades ópticas del cristal en el infrarrojo.

Los científicos calculan que una lente hecha de su cristal purificado puede, en principio, capturar imágenes de objetos de 30 nanómetros de tamaño. Para poner esto en perspectiva, un pelo humano tiene entre 80.000 y 100.000 nanómetros de diámetro. Un glóbulo rojo humano tiene aproximadamente 9.000 nanómetros y los virus varían de 20 a 400 nanómetros.

La física de las hiperlentes es bastante compleja. El nivel de detalle con el que los microscopios ópticos pueden generar imágenes está limitado por la longitud de onda de la luz y el índice de refracción del material de la lente. Cuando esto se combina con los factores de apertura de la lente, la distancia desde el objeto a la lente y el índice de refracción del objeto bajo observación, se traduce en un límite óptico típico de aproximadamente la mitad de la longitud de onda utilizada para la obtención de las imágenes.

En las longitudes de onda infrarrojas utilizadas en este experimento, este “límite de difracción” es de aproximadamente 3.250 nanómetros. Este límite puede superarse mediante el uso de hBN debido a su capacidad para soportar polaritones de fonones superficiales, partículas híbridas formadas por fotones de luz que se acoplan con átomos del cristal que poseen carga y vibran. Estos polaritones tienen longitudes de onda mucho más cortas que la luz incidente.

El problema con el uso de polaritones ha sido siempre la rapidez con la que se disipan. Mediante el uso de cristales de hBN hechos con un 99% de boro isotópicamente puro, los investigadores han podido comprobar que existe una reducción drástica de las pérdidas ópticas en comparación con los cristales naturales, es decir, que aumenta el tiempo de vida del polaritón, lo que les permite viajar el triple de distancia. Este mayor recorrido se traduce en una mejora significativa en la resolución de las imágenes. El análisis teórico de los investigadores sugiere que es posible incluso otro factor de mejora de diez adicional.

En 1654, Anton van Leeuwenhoek utilizó uno de los primeros microscopios para descubrir el mundo desconocido hasta ese momento de la vida microscópica. Este resultado en el desarrollo de hiperlentes es un paso importante para llevar el descubrimiento de van Leeuwenhoek a un nivel completamente nuevo, que permitirá a los biólogos observar directamente los procesos celulares en acción, como virus invadiendo células o células inmunes que atacan invasores extraños, abriendo innumerables posibilidades en la investigación biomédica.

Referencia:

Alexander J. Giles et al (2017) Ultralow-loss polaritons in isotopically pure boron nitride Nature Materials doi: 10.1038/nmat5047

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

8 Comentarios

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PauPau

Y si se usa luz visible en lugar de infrarroja no mejoraría todavía más la resolución?

César ToméCésar Tomé

Muy buena pregunta. Lamentablemente, hasta donde sabemos, la respuesta es negativa. Esto es así porque los fotones tienen que acoplarse con las vibraciones de los átomos del cristal para generar los polaritones de fonones. La radiación infrarroja (eso que nosotros sentimos como calor) es la que corresponde a la energía de las vibraciones.

PauPau

Gracias por la buena respuesta! Tal vez el BN sólido a alta temperatura podría aceptar radiación electromagnética de menor longitud de onda para conseguir polaritones de fonones y se podría incrementar algo más la resolución

Txema M.Txema M.

¿También es un solo isótopo de nitrógeno el que forma el cristal? ¿Se sabe cómo varían los efectos utilizando otras combinaciones de isótopos de nitrógeno y boro?

César ToméCésar Tomé

Solo existen dos isótopos estables del nitrógeno, nitrógeno-14 y nitrógeno-15, y el primero supone más del 99,5% de todos los átomos de nitrógeno existentes, por lo que los efectos de los isótopos del nitrógeno, de existir, son demasiado pequeños en principio para ser relevantes.

Eso no quiere decir que no pudiesen existir, insisto, pero conseguir hBN con un 99,9 % de nitrógeno-14 sería tan sumamente caro que lo haría inútil a todos los efectos prácticos.

Txema M.Txema M.

Sin duda. Inutil a todos los efectos prácticos a los que puedan ser aplicadas las hiperlentes cuando empiecen a servir en la práctica y a multiplicarse. Pero no a efectos de investigación, sobre todo teniendo en cuenta lo que dices, que existe la posibilidad de aumentar todavía más el nivel de resolución, lo que suena absolutamente increíble. Y cuantas más vueltas le doy, más me convenzo de que no puedo ni imaginar qué maravillas vamos a poder ver en los próximos años, cuando este avance salga del laboratorio de creación para llegar a los de investigación biológica y médica.

Este avance huele a nobel. La mayoría de los grandes avances en microscopia lo han obtenido. Y algunos en un plazo muy breve, como en el caso del microscopio de efecto túnel. No sé si de física, química o medicina, pero a mí lo de las hiperlentes me huele a futuro premio nobel.

Así que no me extrañaría que, aun siendo carísimo, lograsen subvención para continuar avanzando en la búsqueda de imágenes todavía más precisas.

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[…] Non é un vídeo. É un artigo: moi actual e moi interesante. ¡O último en lentes!!! […]

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