Normalmente, uno no mira un cacahuete y vislumbra el futuro de la tecnología láser. Pero en un laboratorio de la Universidad de Umeå, en el norte de Suecia, la física Jia Wang y sus colaboradores han hecho precisamente eso: construir un láser a partir únicamente de hojas de abedul y cacahuetes.
Su invento supone un avance revolucionario en fotónica sostenible. Al utilizar materiales biológicos comunes en lugar de compuestos sintéticos o metales tóxicos, el equipo ha creado un dispositivo que algún día podría usarse para iluminar tejidos durante las pruebas de imagen médica o incluso para detectar bolsos de diseño falsificados.
“Nuestro estudio demuestra que es posible crear tecnología óptica avanzada de forma sencilla utilizando únicamente materiales locales y renovables”, afirmó Wang, profesor asociado de la Universidad de Umeå. El estudio se publicó en la revista Nanophotonics.
No es un láser típico
Los láseres suelen asociarse con haces precisos y equipos de alta tecnología. Pero el que construyó el equipo de Wang funciona de forma diferente. Este láser aleatorio genera luz dispersando fotones a través de un material desordenado, lo que produce un brillo coherente sin necesidad de una cavidad óptica tradicional. En este caso, el material desordenado es un grano de cacahuete.
El medio de ganancia del láser —la parte que amplifica la luz— está hecho de puntos de carbono derivados de hojas de abedul. Estas nanopartículas, creadas mediante un sencillo método de cocción a presión, emiten un intenso brillo rojo al ser excitadas por la luz.
Al inyectar la solución de puntos cuánticos de carbono en cubos de cacahuete, los investigadores crearon un sistema láser basado en biomateriales al que denominaron R-CDs@Peanut. Al ser excitado por una fuente de luz pulsada, el dispositivo emite un haz láser rojo. A pesar de su simplicidad, el rendimiento del sistema es comparable al de muchos láseres aleatorios sintéticos.
“La síntesis de los puntos cuánticos de carbono es simple y directa, esencialmente un proceso de cocción a presión de un solo paso”, explicó Wang.
La rugosa estructura interna del cacahuete —un laberinto natural de pliegues, poros y paredes celulares— dispersa la luz lo justo para producir los bucles de retroalimentación esenciales para la emisión láser aleatoria. El dispositivo resultante es biodegradable, no tóxico y sorprendentemente barato.
Longitud de onda larga
La luz roja, con sus largas longitudes de onda, es especialmente adecuada para la imagen biomédica porque penetra en los tejidos más profundamente que otros colores. Y dado que los puntos de carbono evitan la fototoxicidad y la complejidad de los materiales de ganancia sintéticos, el láser es lo suficientemente suave para los tejidos vivos.
Los investigadores midieron los umbrales de emisión en cinco superficies diferentes de su láser basado en cacahuetes. La superficie I (la más cercana al punto de inyección) requirió la menor energía para activar la emisión láser: tan solo 96,4 kilovatios por centímetro cuadrado. A pesar de cierta variación, las cinco superficies demostraron la capacidad de emitir luz láser, con resultados “comparables a los de cavidades láser diseñadas artificialmente”, según el estudio.
El dispositivo R-CDs@Peanut conservó su fluorescencia incluso a la luz del día, y la emisión roja no mostró interferencia alguna por parte de la tenue autofluorescencia del propio cacahuete. En otras palabras, el brillo provenía exclusivamente de los puntos cuánticos de carbono de la hoja de abedul.
La microscopía reveló la idoneidad del grano de cacahuete como soporte. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido mostraron una superficie rugosa y desordenada, salpicada de microporos. Esto resulta ideal para reflejar la luz en trayectorias aleatorias y crear los bucles de retroalimentación necesarios para la emisión láser.
Aplicaciones
Si bien las implicaciones para el diagnóstico médico son claras, los investigadores también ven potencial en otros ámbitos.
“El potencial de este láser aleatorio basado en biomateriales va más allá de la bioimagen y el diagnóstico”, afirmó Wang. “Dado su bajo coste, su carácter renovable y su seguridad, también podría desarrollarse como etiqueta óptica para autenticar documentos de alto valor, artículos de lujo y dispositivos electrónicos”.
Cada láser posee una “huella dactilar” espectral única basada en la microestructura natural del cacahuete del que procede. Esta característica podría aprovecharse para crear marcadores ópticos seguros y difíciles de clonar para tecnologías de autenticación.
A diferencia de los láseres convencionales, el láser basado en partículas de cacahuete emite luz difusa, lo que ayuda a eliminar el ruido de moteado que afecta a las imágenes de alta resolución. Esto lo hace especialmente prometedor para tecnologías donde la claridad y la uniformidad de la luz son clave, como la obtención de imágenes de tejidos, el escaneo de la piel o el análisis de muestras celulares. Y a diferencia de los materiales sintéticos, estos componentes orgánicos se descomponen fácilmente y no representan ninguna amenaza para el medio ambiente.
Un láser natural
Esta no es la primera vez que los investigadores experimentan con materiales biológicos para fabricar láseres. En intentos anteriores se utilizaron sustancias como la clorofila, conchas de abulón o coral. Sin embargo, pocos estudios combinaron medios de ganancia y dispersores naturales en un único sistema láser funcional. Y ninguno empleó ingredientes tan simples y accesibles como los cacahuetes y las hojas de abedul.
El concepto surgió del trabajo previo del equipo. Hace dos años, el laboratorio de Wang demostró que las hojas de abedul podían utilizarse para fabricar semiconductores orgánicos para pantallas de televisores y teléfonos inteligentes. Ahora, esas mismas hojas están abriendo el camino a los láseres sostenibles.
En los últimos años, los puntos cuánticos de carbono han ganado popularidad en la nanofotónica como alternativas más seguras y económicas a los puntos cuánticos sintéticos. Los investigadores observaron que los puntos cuánticos de carbono emitían una luz roja intensa a 686 nanómetros y conservaban esta emisión tras ser incrustados en tejido de cacahuete.
Lo más importante es que todo el proceso de fabricación es sorprendentemente sencillo. Se cortan cacahuetes en rodajas, se les inyecta una solución de puntos cuánticos de carbono, se calientan suavemente y luego se enfrían. No se necesitan salas estériles, litografía ni metales de tierras raras. Los investigadores lo denominan una vía de fácil acceso para el desarrollo de dispositivos fotónicos escalables.
Fuente: ZME Science.
