Detector molecular a escala nanométrica: Un nuevo dispositivo en chip utiliza rayos de luz exóticas en un material 2D para detectar moléculas

Las moléculas tienen una especie de huellas dactilares, rasgos únicos que pueden utilizarse para diferenciarlas. Cada tipo de molécula, cuando se ilumina con la luz adecuada, vibra con una frecuencia (su frecuencia de resonancia, que suele darse en frecuencias infrarrojas) y una intensidad característica. De forma similar a lo que puede hacerse con las huellas dactilares humanas, se puede aprovechar esta información para distinguir entre sí distintos tipos de moléculas o gases. Eso también puede protegernos de peligros potenciales, al identificar sustancias o gases venenosos y peligrosos en lugar de delincuentes.
Un método convencional es la espectroscopia infrarroja de huellas dactilares, que utiliza espectros infrarrojos de reflexión o transmisión para identificar distintas moléculas. Sin embargo, el pequeño tamaño de las moléculas orgánicas en comparación con la longitud de onda del infrarrojo da lugar a una señal de dispersión débil, lo que dificulta la detección de pequeñas cantidades de material. En los últimos años, esta limitación se ha abordado mediante la espectroscopia de absorción infrarroja mejorada en superficie (SEIRA). La espectroscopia SEIRA aprovecha la mejora del campo cercano infrarrojo que proporcionan las superficies metálicas rugosas o las nanoestructuras metálicas para amplificar las señales vibratorias moleculares. La principal ventaja de la espectroscopia SEIRA es su capacidad para medir y estudiar cantidades mínimas de materiales.
Recientemente, los polaritones fonónicos -excitaciones acopladas de ondas electromagnéticas con vibraciones de la red atómica-, en particular los polaritones fonónicos hiperbólicos en capas finas de nitruro de boro hexagonal (h-BN), han surgido como candidatos prometedores para aumentar la sensibilidad de la espectroscopia SEIRA. “Anteriormente demostramos que los polaritones fonónicos pueden aplicarse a la espectroscopia SEIRA de capas moleculares nanométricas y a la detección de gases, gracias a su larga vida útil y a su confinamiento de campo ultraalto”, explica el profesor Rainer Hillenbrand de CIC nanoGUNE.
Sin embargo, la espectroscopia SEIRA sigue siendo una técnica de campo lejano que requiere equipos voluminosos, como fuentes de luz, sustratos SEIRA y, normalmente, detectores infrarrojos refrigerados por nitrógeno. Esta dependencia de grandes instrumentos limita su potencial de miniaturización y aplicaciones en chip. Paralelamente, “hemos estado investigando detectores de infrarrojos basados en grafeno que funcionan a temperatura ambiente, y hemos demostrado que los polaritones fonónicos pueden detectarse eléctricamente y mejorar la sensibilidad del detector”, añade el profesor Frank Koppens, del ICFO.
Combinando estos dos avances, un equipo de investigadores ha demostrado ahora con éxito la primera detección fonónica SEIRA en chip de vibraciones moleculares. Este resultado ha sido posible gracias al esfuerzo conjunto del personal investigador de nanoGUNE y del ICFO, junto con el apoyo teórico de los grupos del Dr. Alexey Nikitin del Donostia International Physics Center (DIPC) y del Prof. Luis Martín-Moreno del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (CSIC- Universidad de Zaragoza). El personal investigador empleó HPhPs ultraconfinados para detectar las huellas moleculares en capas moleculares nanométricas directamente en la fotocorriente de un detector basado en grafeno, eliminando la necesidad de los voluminosos detectores IR tradicionales.
“Uno de los aspectos más interesantes de este enfoque es que este detector basado en grafeno abre el camino hacia la miniaturización”, comenta el Dr. Sebastián Castilla, investigador del ICFO. Integrando este detector con canales microfluídicos, podríamos crear un auténtico “laboratorio en un chip”, capaz de identificar moléculas específicas en pequeñas muestras líquidas, lo que allanaría el camino para el diagnóstico médico y la monitorización medioambiental”.
En una visión a más largo plazo, el investigador de nanoGUNE y primer autor del estudio, el Dr. Andrei Bylinkin, cree que “los detectores infrarrojos en chip que funcionan a temperatura ambiente podrían permitir una rápida identificación molecular, potencialmente integrada en teléfonos inteligentes o dispositivos electrónicos para llevar puestos”. Además, cree que “esto ofrecería una plataforma para la espectroscopia infrarroja sensible compacta a temperatura ambiente”.