Los científicos de la Universidad Tecnológica de Eindhoven (TU/e) han logrado un gran avance en la transferencia de energía, demostrando que la energía puede transferirse entre partículas diminutas a distancias milimétricas sin perderse en forma de calor o luz.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor Jaime Gómez Rivas, junto con los investigadores Jie Ji y Wouter Holman, desarrolló una superficie hecha de nanobarras de oro colocadas con precisión que permite una transferencia de energía altamente eficiente.
Sus hallazgos, publicados en Science Advances, desafían suposiciones arraigadas sobre las distancias a través de las cuales puede ocurrir la transferencia de energía sin radiación.
Los resultados podrían tener implicaciones significativas para las comunicaciones cuánticas, la tecnología de energía solar, la ingeniería química y los sensores médicos de próxima generación.
Al ampliar el alcance de la transferencia coherente de energía mucho más allá de los límites previamente aceptados, este trabajo abre nuevas posibilidades para controlar la energía a nanoescala.
Importancia de la transferencia de energía
En la mayoría de los sistemas, la energía absorbida por las moléculas finalmente se libera al medio ambiente en forma de calor o luz.
Un fenómeno especial conocido como transferencia de energía por resonancia de Förster (FRET) se comporta de manera diferente. En lugar de irradiar energía, la energía se transfiere directamente de una molécula a otra mediante interacciones electromagnéticas.
Este proceso es muy eficiente ya que prácticamente no se pierde energía durante la transferencia. La naturaleza depende en gran medida de ello. Durante la fotosíntesis, las plantas utilizan este mecanismo para mover rápidamente la energía solar capturada hacia donde puede convertirse en energía química.
Los científicos también utilizan FRET como una poderosa herramienta analítica. Este efecto sólo se produce cuando las moléculas están muy cerca unas de otras, lo que permite a los investigadores medir las distancias entre moléculas y estudiar procesos biológicos con gran precisión.
El desafío siempre ha sido el alcance. El FRET tradicional sólo opera en distancias de unos pocos nanómetros, lo que hace imposible la transferencia de energía a larga distancia en condiciones normales.
romper el muro fundamental
El equipo de TU/e ha demostrado ahora cómo la transferencia eficiente de energía se puede extender desde la escala nanométrica hasta distancias de varios milímetros.
Aunque sean sólo unos pocos milímetros en la vida cotidiana, significa un gran salto adelante en el mundo microscópico. Este aumento excede en muchos órdenes de magnitud el rango típicamente asociado con las interacciones tradicionales basadas en FRET.
Este avance se basa en un fenómeno físico inusual conocido como estado acoplado continuo (BIC).
Estos estados electromagnéticos permanecen atrapados dentro de la estructura en lugar de irradiarse al entorno circundante. Como resultado, la energía puede quedar atrapada y almacenada durante largos períodos de tiempo.
Cómo las nanobarras de oro permiten la transferencia de energía a larga distancia
Para aprovechar este efecto, los investigadores crearon una superficie plana que contenía varillas microscópicas de oro dispuestas en un patrón muy preciso sobre el vidrio.
Cuando la superficie se excitó a una frecuencia específica, se formó un estado BIC. En este estado, la energía permanece confinada a la superficie y puede transferirse entre dos sondas de medición separadas aproximadamente 2 milímetros.
La transferencia se produce mediante resonancia dentro de la barra de oro. En condiciones normales, estas resonancias emiten fotones y provocan una pérdida de energía. Sin embargo, en el nuevo sistema, el BIC evita las fugas de radiación y mantiene la integridad del proceso de transferencia de energía.
Los investigadores también observaron fuertes efectos direccionales. La energía se movía eficientemente a lo largo de una dirección del conjunto de barras de oro, pero se debilitaba más rápidamente en la dirección vertical.
Esta direccionalidad incorporada podría proporcionar un poderoso mecanismo para controlar el flujo de energía en futuros dispositivos fotónicos y cuánticos.
Posibles aplicaciones en tecnología y medicina.
Uno de los aspectos más destacables de este logro es que funciona sobre una superficie plana a temperatura ambiente. El sistema no requiere fibras ópticas, guías de ondas ni complejos equipos de enfriamiento criogénico como muchas tecnologías cuánticas avanzadas.
Debido a que la energía transferida retiene su información mientras viaja a través de la estructura, esta plataforma tiene el potencial de soportar futuros sistemas de comunicación cuántica que requieran una transferencia de información coherente.
El descubrimiento también podría mejorar los biosensores ultrasensibles que pueden detectar moléculas individuales con una precisión sin precedentes. El mecanismo de transferencia de energía mejorado aumenta la intensidad de la señal al tiempo que reduce las pérdidas, lo que potencialmente hace que las técnicas de diagnóstico sean más efectivas.
De cara al futuro, los investigadores creen que este enfoque podría permitir interacciones entre grandes redes de moléculas en lugar de pares aislados.
Estos conjuntos moleculares coherentes, también llamados “supramoléculas”, pueden cambiar el comportamiento químico y crear oportunidades completamente nuevas en la ciencia de los materiales y la química.
Un nuevo capítulo en la investigación sobre la transferencia de energía
Este estudio representa un avance importante en la comprensión y control de la transferencia de energía.
Los investigadores han demostrado que al combinar estados unidos continuos con nanoestructuras de oro cuidadosamente diseñadas, la transferencia de energía puede ocurrir sin radiación a distancias que antes se pensaba que eran inalcanzables.
Este avance podría ayudar a dar forma a futuros avances en energía renovable, tecnología cuántica, detección molecular e ingeniería a nanoescala a medida que los científicos continúan explorando aplicaciones prácticas.
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