{"id":254347,"date":"2018-03-19T16:52:28","date_gmt":"2018-03-19T19:52:28","guid":{"rendered":"http:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/?p=254347\/"},"modified":"2018-03-19T17:07:03","modified_gmt":"2018-03-19T20:07:03","slug":"un-laboratorio-de-bolsillo","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/un-laboratorio-de-bolsillo\/","title":{"rendered":"Un laboratorio de bolsillo"},"content":{"rendered":"
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L\u00e9o Ramos Chaves<\/span><\/a> Microcanales esculpidos con l\u00e1ser en el Ipen: una red dise\u00f1ada para permitir la combinaci\u00f3n de fluidos y reactivosL\u00e9o Ramos Chaves<\/span><\/p><\/div>\n

Romper r\u00e9cords de eficiencia energ\u00e9tica en la generaci\u00f3n de haces de l\u00e1ser se est\u00e1 convirtiendo en una rutina para Niklaus Wetter, un f\u00edsico suizo que trabaja en Brasil desde 1988 y que desde hace tres a\u00f1os dirige el Centro de L\u00e1seres y Aplicaciones, del Instituto de Investigaciones Energ\u00e9ticas y Nucleares (Ipen), en S\u00e3o Paulo. En 2015, Wetter y el f\u00edsico Alessandro Melo de Ana, de la Universidade Nove de Julho, presentaron en la revista Optics Express<\/em> una nueva configuraci\u00f3n de lentes y espejos para generadores de l\u00e1seres con cristales que contienen el elemento qu\u00edmico neodimio. Con este nuevo ordenamiento, el dispositivo, uno de los m\u00e1s utilizados en el mundo con fines industriales, m\u00e9dicos y de investigaci\u00f3n cient\u00edfica, logr\u00f3 aprovechar un 60% de la energ\u00eda depositada en su cristal para generar luz l\u00e1ser, superando el r\u00e9cord anterior del 50% para este tipo de aparato.<\/p>\n

Ahora, junto a la f\u00edsica brasile\u00f1a Julia Giehl y el f\u00edsico alem\u00e1n Felix Butzbach, ambos exalumnos del Ipen, y el f\u00edsico espa\u00f1ol Ernesto Jim\u00e9nez-Villar, de la Universidad Federal de Pernambuco (UFPE), Wetter logr\u00f3 un avance a\u00fan mayor en la eficiencia energ\u00e9tica de un tipo diferente de l\u00e1ser: el l\u00e1ser rand\u00f3mico o aleatorio, que llam\u00f3 la atenci\u00f3n de f\u00edsicos e ingenieros durante los \u00faltimos a\u00f1os por su bajo costo y porque se vale de dispositivos sumamente peque\u00f1os (lea en<\/em> Pesquisa FAPESP, edici\u00f3n n\u00ba 247<\/em><\/a>). En lugar de un cristal, los aparatos de l\u00e1ser aleatorio producen una luz con caracter\u00edsticas del l\u00e1ser convencional con base en un l\u00edquido que contiene part\u00edculas micro o nanom\u00e9tricas en suspensi\u00f3n, o bien, a partir de una mezcla de part\u00edculas en estado s\u00f3lido (en forma de polvo). El problema reside en que la eficiencia de este tipo de l\u00e1seres suele ser baja. Las soluciones y mezclas de part\u00edculas microsc\u00f3picas convierten en l\u00e1ser a lo sumo el 2% de la energ\u00eda que reciben en forma de luz. Calculando detalles acerca de c\u00f3mo es generado y amplificado el l\u00e1ser a medida que la luz se refleja varias veces en las part\u00edculas, el equipo de Wetter descubri\u00f3 c\u00f3mo incrementar la eficiencia de esta conversi\u00f3n, que ahora lleg\u00f3 al 60%. \u201cEste resultado es comparable con el de los mejores l\u00e1seres de estado s\u00f3lido [convencionales] disponibles en el mercado\u201d, afirma Wetter.<\/p>\n

El secreto descubierto por los investigadores consiste en mezclar part\u00edculas de distintos tama\u00f1os. En los experimentos emplearon granos de un cristal de 54 micrones de di\u00e1metro y granos casi 10 veces menores, de tan s\u00f3lo 6 micrones. En la mezcla, las part\u00edculas menores ocuparon el espacio existente entre las mayores creando bolsones que aumentaron localmente un 30% la dispersi\u00f3n de la luz: con cada dispersi\u00f3n, m\u00e1s energ\u00eda se incorpora al l\u00e1ser. El resultado final es un aumento de un 160% en la potencia del haz de l\u00e1ser emitido. Estos resultados se dieron a conocer el d\u00eda 31 de enero en la Photonics West 2017<\/em>, en San Francisco, Estados Unidos, la principal conferencia de tecnolog\u00eda l\u00e1ser del mundo. \u201cContamos con el r\u00e9cord actual\u201d, celebra Wetter.<\/p>\n

En el Ipen, el f\u00edsico suizo siempre trabaj\u00f3 en la mejora de fuentes de l\u00e1ser de gran potencia y precisi\u00f3n, producidas en aparatos que emplean cristales de alta pureza, adem\u00e1s de lentes y espejos con pulimento especial. Son aparatos que cuestan decenas de miles de d\u00f3lares. Pero desde 2008, su laboratorio lleva adelante simult\u00e1neamente otra l\u00ednea de investigaci\u00f3n que apunta al desarrollo de mejoras en l\u00e1seres aleatorios, cuyo costo de producci\u00f3n, seg\u00fan sostiene Wetter, podr\u00e1 llegar alg\u00fan d\u00eda a valer centavos.<\/p>\n

Su motivaci\u00f3n es el impacto tecnol\u00f3gico que los l\u00e1seres aleatorios auguran producir en el desarrollo de laboratorios biom\u00e9dicos compactos, port\u00e1tiles y descartables, conocidos por la expresi\u00f3n en ingl\u00e9s lab on a chip<\/em>. Son tarjetas hechas de vidrio o pl\u00e1stico que contienen una especie de ca\u00f1er\u00eda microsc\u00f3pica: canales y reservorios de entre mil\u00edmetros y micrones de espesor que permiten el almacenamiento, el paso y la mezcla de vol\u00famenes \u00ednfimos de l\u00edquidos. Los investigadores proyectan esas redes de canales y reservorios de manera tal que sea posible combinar muestras de sangre, saliva u otros fluidos corporales con los reactivos qu\u00edmicos necesarios para la realizaci\u00f3n de an\u00e1lisis de laboratorio.<\/p>\n

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Niklaus Wetter y Kelly Jorge\/ Ipen<\/span><\/a> Los investigadores iluminaron con l\u00e1ser verde una soluci\u00f3n de micropart\u00edculas y generaron un l\u00e1ser aleatorio rojoNiklaus Wetter y Kelly Jorge\/ Ipen<\/span><\/p><\/div>\n

Laboratorios port\u00e1tiles<\/strong>
\nLa meta consiste en poder utilizar alg\u00fan un d\u00eda esta tecnolog\u00eda para ofrecer algunos an\u00e1lisis a las personas que no tienen acceso f\u00e1cil a consultorios y laboratorios, tales como ancianos enfermos que no pueden salir de sus casas o poblaciones carentes de recursos que viven lejos de los centros urbanos. Existen en el mundo algunos modelos de lab on a chip<\/em> listos para usarse. En Brasil, un equipo multidisciplinario coordinado por el biom\u00e9dico Marco Aur\u00e9lio Krieger, de la Fundaci\u00f3n Oswaldo Cruz (Fiocruz) con sede en el estado de Paran\u00e1, est\u00e1 desarrollando un chip pl\u00e1stico en forma de disco de 3 cent\u00edmetros de di\u00e1metro capaz de detectar hasta 20 enfermedades infecciosas mediante el an\u00e1lisis de una gota de sangre (lea en<\/em> Pesquisa FAPESP, edici\u00f3n n<\/em>\u00ba 192<\/em>). Pero los dispositivos existentes s\u00f3lo realizan diagn\u00f3sticos m\u00e1s sencillos. Detectan la presencia de un pat\u00f3geno en una gota de sangre, por ejemplo, aunque no permiten cuantificar compuestos en muestras biol\u00f3gicas.<\/p>\n

Algunos obst\u00e1culos tambi\u00e9n dificultan la creaci\u00f3n de versiones m\u00e1s sofisticadas y baratas de los labs on a chip<\/em>. F\u00edsicos e ingenieros dominan las t\u00e9cnicas de fabricaci\u00f3n de los microcanales en los cuales se producen las reacciones qu\u00edmicas necesarias para la realizaci\u00f3n de los ex\u00e1menes m\u00e9dicos m\u00e1s comunes, tales como los de glucemia, colesterol o detecci\u00f3n de infecciones. Pero el control de estas reacciones y el an\u00e1lisis de los resultados a\u00fan requieren que se acople el chip a un aparato externo. Ese aparato puede ser sencillo, consistente en una l\u00e1mpara de luz ultravioleta utilizada para evaluar los an\u00e1lisis realizados en el chip del equipo de Krieger, o una fuente de l\u00e1ser de alta precisi\u00f3n, necesaria para la realizaci\u00f3n de test m\u00e1s sofisticados como los que sirven para efectuar la lectura precisa de los niveles de colesterol, insulina y otras mol\u00e9culas presentes en la sangre.<\/p>\n

Para que los labs on a chip<\/em> puedan independizarse de los aparatos externos, habr\u00e1 que incorporarle a la tarjeta de pl\u00e1stico o de vidrio una estructura capaz de producir un haz de l\u00e1ser con direcci\u00f3n y longitud de onda (color) muy bien definidos, adem\u00e1s de la potencia suficiente como para atravesar un microcanal conteniendo sangre, saliva u otro fluido biol\u00f3gico. Tras pasar por la muestra, la luz debe llegar a un sensor que analiza los cambios de intensidad y de color del l\u00e1ser: alteraciones en esas propiedades pueden indicar la presencia de las mol\u00e9culas y la cantidad en que se encuentran en el material biol\u00f3gico.<\/p>\n

En Estados Unidos y Europa, algunas universidades y startups <\/em>de tecnolog\u00eda ya fabrican chips de diagn\u00f3stico capaces de hacer este tipo de an\u00e1lisis en material biol\u00f3gico. Pero esos dispositivos todav\u00eda se valen de l\u00e1seres producidos por diodos semiconductores o cristales generadores de l\u00e1seres convencionales que, pese a que son relativamente peque\u00f1os, cuestan cientos de d\u00f3lares. Los aparatos que generan l\u00e1seres convencionales de alta calidad cuestan caros porque requieren del uso de espejos y cristales elaborados con un material extremadamente puro y con un pulimento especial. Cuanto m\u00e1s puro es el cristal y m\u00e1s pulido est\u00e1 el espejo, m\u00e1s eficiente es la producci\u00f3n del l\u00e1ser y mejor definidas quedan sus propiedades necesarias para la realizaci\u00f3n de an\u00e1lisis bioqu\u00edmicos.<\/p>\n

Los f\u00edsicos esperan resolver este problema de costos reemplazando el l\u00e1ser convencional por l\u00e1ser aleatorio. \u201cVislumbro en los l\u00e1seres aleatorios la manera m\u00e1s barata de insertar una fuente de l\u00e1ser en un lab<\/em> on a chip<\/em>\u201d, dice Wetter.<\/p>\n

En un art\u00edculo publicado en julio de 2016 en la revista Applied Optics<\/em>, el equipo de Wetter, en colaboraci\u00f3n con los grupos de los ingenieros Marco Alayo y Marcelo Carre\u00f1o, de la Escuela Polit\u00e9cnica de la Universidad de S\u00e3o Paulo (Poli-USP), describe la fabricaci\u00f3n y el funcionamiento de una fuente de l\u00e1ser aleatorio que podr\u00eda integrarse f\u00e1cilmente a un lab on a chip<\/em>. En el experimento, una fuente externa de luz estimul\u00f3 a las mol\u00e9culas de una soluci\u00f3n con rodamina, un colorante org\u00e1nico que emite luz al ilumin\u00e1rselo. En lugar de los espejos, lo que amplifica la luz producida por la rodamina son part\u00edculas microsc\u00f3picas de di\u00f3xido de titanio (TiO2<\/sub>), tambi\u00e9n conocido como rutilo, el principal componente de las pinturas blancas y de los protectores solares, con una gran capacidad de reflejar y dispersar la luz. Cuando ajustan correctamente la concentraci\u00f3n de part\u00edculas de rutilo al tama\u00f1o y al formato del microcanal con rodamina, los investigadores logran generar un haz de l\u00e1ser aleatorio con direcci\u00f3n y color bien definidos.<\/p>\n

\"\"<\/a>Obst\u00e1culos tecnol\u00f3gicos<\/strong>
\nWetter y sus colaboradores trabajan con distintos materiales para producir l\u00e1seres aleatorios e intentar dirigir la trayectoria de esa luz en el interior de los microcanales. El objetivo es superar los obst\u00e1culos tecnol\u00f3gicos que impiden la fabricaci\u00f3n de un lab on a chip <\/em>barato y descartable que funcione con la ayuda de un tel\u00e9fono celular. \u201cPretendemos utilizar el flash<\/em> de la c\u00e1mara del celular como fuente de luz para generar el l\u00e1ser aleatorio en el chip\u201d, explica el f\u00edsico. La c\u00e1mara del aparato servir\u00eda para analizar alteraciones en las propiedades del l\u00e1ser que atraves\u00f3 las muestras. \u201cDe produc\u00edrselo correctamente, quiz\u00e1 pueda utilizarse este dispositivo en comunidades alejadas de los centros urbanos para realizar diagn\u00f3sticos que actualmente s\u00f3lo se encuentran disponibles en los laboratorios especializados\u201d, comenta Wetter.<\/p>\n

A\u00fan queda mucho por hacerse. Los l\u00e1seres aleatorios y el medio activo, ambos desarrollados en el Ipen, por ahora demuestran que es posible crear el dispositivo. Pero restan barreras importantes que deben vencerse a los efectos de llegar a un dispositivo que puedan utilizar los profesionales de la salud. Una de ellas consiste en disminuir la energ\u00eda necesaria como para activar la emisi\u00f3n de luz de la rodamina, en la actualidad miles de veces m\u00e1s alta que la que suministra el flash<\/em> de un celular.<\/p>\n

Un fen\u00f3meno \u00f3ptico observado recientemente por Wetter y Jim\u00e9nez-Villar puede ayudar a disminuir la cantidad de energ\u00eda necesaria para producir el l\u00e1ser aleatorio. Al revestir las part\u00edculas de rutilo con una delgada capa de s\u00edlice (SiO2<\/sub>), los investigadores produjeron por primera vez en este tipo de l\u00e1ser un efecto denominado localizaci\u00f3n de Anderson y aumentaron la interacci\u00f3n de la luz con la materia, lo que redujo m\u00e1s de 10 veces la energ\u00eda necesaria para generar el l\u00e1ser. De todos modos, el flash<\/em> de un celular no permitir\u00eda generar un l\u00e1ser con la potencia suficiente como para analizar una muestra biol\u00f3gica. \u201cDebemos mejorar la eficiencia de todo el dispositivo para que pueda funcionar con un haz de luz m\u00e1s d\u00e9bil\u201d, dice Wetter.<\/p>\n

\u201cLa tecnolog\u00eda de los l\u00e1seres aleatorios est\u00e1 evolucionando r\u00e1pidamente\u201d, afirma el f\u00edsico Vanderlei Bagnato, de la USP en S\u00e3o Carlos, quien, as\u00ed y todo, acota que est\u00e1n desarroll\u00e1ndose otros tipos de l\u00e1seres para integrar labs on a chip<\/em>, tales como los l\u00e1seres de cavidad vertical. \u201cNinguna tecnolog\u00eda est\u00e1 completa a\u00fan.\u201d<\/p>\n

Proyectos<\/strong>
\n 1.<\/strong> Micromecanizado con l\u00e1ser de pulsos ultracortos aplicado a la producci\u00f3n y el control de circuitos optoflu\u00eddicos (n\u00ba 2013\/26113-6<\/a>); Modalidad<\/strong> Proyecto Tem\u00e1tico; Investigador responsable<\/strong> Wagner de Rossi (Ipen); Inversi\u00f3n<\/strong> R$ 3.614.777,92
\n2.<\/strong> Desarrollo de l\u00e1seres en medios altamente difusos para el an\u00e1lisis estructural de tejidos (n\u00ba 2012\/18162-4<\/a>); Modalidad<\/strong> Ayuda a la Investigaci\u00f3n \u2013 Regular; Investigador responsable<\/strong> Niklaus Ursus Wetter (Ipen); Inversi\u00f3n<\/strong> R$ 279.768,38<\/p>\n

Art\u00edculos cient\u00edficos<\/em>
\nJORGE, K. C. et al<\/em>. Directional random laser source consis\u00adting of a HC-ARROW reservoir connected to channels for spectroscopic analysis in microfluidic devices<\/a>. Applied Optics<\/strong>. v. 55 (20). p. 5393-98. 2016.
\nWETTER, N. U. y DEANA, A. M. Influence of pump bandwidth on the efficiency of side-pumped, double-bean mode-controlled lasers: Establishing a new record for Nd:YLiF 4 l\u00e1seres using VBG<\/a>. Optic Express<\/strong>. v. 23. p. 9379-87. 2015.
\nREIJN, S-M. et al<\/em>. Enabling focusing around the corner in multiple scattering media<\/a>. Applied Optics<\/strong>. v. 54. p. 7740-46. 2015.
\nJIMENEZ-VILLAR, E. et al<\/em>. Anderson localization of light in a colloidal suspension (TiO2@Silica)<\/a>. Nanoscale<\/strong>. v. 8. p. 10938-46. 2016.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"El l\u00e1ser aleatorio abre el camino hacia la fabricaci\u00f3n de microchips","protected":false},"author":14,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[181],"tags":[304,297,312],"coauthors":[103],"class_list":["post-254347","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-ciencia-es","tag-fisica-es","tag-ingenieria","tag-innovacion"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/254347","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/14"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=254347"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/254347\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=254347"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=254347"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=254347"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=254347"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}