Akura Yonomoto -Periodista Científico de El Ciudadano Digital-
Los nanosensores mostraron que diferentes partes de la célula variaban hasta en 1 ºC.
Nature/ Para medir la temperatura, los médicos colocan un termómetro debajo de la lengua. Ahora, los investigadores han creado un termómetro lo suficientemente pequeño como para medir la temperatura de una sola célula viva, e incluso de regiones celulares específicas, como el núcleo. Una vez perfeccionadas, tecnologías similares podrían ayudar a los científicos a estudiar el metabolismo y otras reacciones químicas de la vida a la escala más pequeña. El trabajo se publicó el miércoles pasado en Science Advances.
Hasta ahora, los mejores termómetros celulares eran nanodiamantes con defectos conocidos (science.org/ Molecular quantum nanosensors functioning in living cells) como centros de vacancia de nitrógeno. Sin embargo, cada diamante es ligeramente diferente, lo que significa que las lecturas no son consistentes entre los sensores.
Los autores del nuevo artículo crearon una alternativa: nanosensores cuánticos moleculares. El equipo incorporó moléculas de un compuesto de hidrocarburo llamado pentaceno en un cristal. Luego, sometieron el cristal a un proceso de agitación para fragmentarlo en partículas más pequeñas, recubriéndolas con un polímero durante este proceso para evitar la aglomeración y garantizar su seguridad para las células. Los sensores finales tenían un tamaño de 200 o 500 nanómetros, una pequeña fracción del diámetro de un glóbulo rojo humano.
Estos sensores se consideran cuánticos porque su comportamiento depende de la superposición de estados cuánticos específicos de los electrones de las moléculas de pentaceno; es decir, los electrones ocupan múltiples estados simultáneamente.
Luz verde, luz roja
Al iluminar los sensores con láseres verdes, estos brillaban en rojo. Sin embargo, al estimularlos simultáneamente con microondas a ciertas frecuencias, su brillo disminuía ligeramente. La temperatura del entorno de los sensores (y, por extensión, la de los propios sensores) afecta la frecuencia que provoca esta disminución. Los autores determinaron la relación precisa entre la frecuencia que desencadenaba la disminución del brillo y la temperatura, lo que les permitió inferir una a partir de la otra.
El termómetro cuántico que usa átomos gigantes
Los átomos de Rydberg, caracterizados por tener electrones en órbitas extremadamente alejadas del núcleo, son la base de este nuevo termómetro. Para desarrollarlo, los investigadores llenaron una cámara de vacío con átomos de rubidio y los enfriaron hasta casi el cero absoluto. Luego, mediante el uso de láser, los impulsaron a estados de energía elevados, haciéndolos significativamente más grandes que en su estado normal
Este tamaño extraordinario permite que los átomos de Rydberg sean altamente sensibles a las condiciones térmicas de su entorno. Al analizar cómo interactúan con el calor, los científicos pueden medir la temperatura con una precisión sin precedentes. Esta capacidad tiene el potencial de transformar la manera en que se realizan mediciones en diversos campos, desde la investigación cuántica hasta la manufactura avanzada.
Atomos de Rydberg
A pesar de sus deficiencias, el modelo atómico de Bohr es útil para explicar estas propiedades. Desde el punto de vista clásico, un electrón en una órbita circular de radio r alrededor de un núcleo de hidrógeno de carga +e, obedece la segunda ley de Newton:
donde k = 1/(4πε0).
El momento orbital se encuentra cuantizado en unidades de ħ:
Combinando estas dos ecuaciones llegamos a la expresión de Bohr para el radio orbital en función del número principal cuántico, n:
Partiendo de esta ecuación uno puede comprender por qué los átomos de Rydberg muestran propiedades tan particulares: el radio orbital escala como n2 (el estado con n = 137 de hidrógeno tiene un radio orbital ~1 µm), y la sección efectiva geométrica crece como n4. Así pues, los átomos de Rydberg son extremadamente grandes y sus electrones de valencia, ligados débilmente al núcleo, son perturbados fácilmente o incluso ionizados por colisiones o campos externos.
Dado que la energía de ligadura de un electrón en un estado de Rydberg es proporcional a 1/r, y por lo tanto disminuye como 1/n2, el espaciado energético entre niveles adyacentes disminuye como 1/n3, lo que da lugar a niveles cada vez más cercanos que convergen a la primera energía de ionización. Estos estados tan cercanos forman lo que se conoce como la serie de Rydberg./ /Nature
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