Video-Manual: Interface de Espectrometro UV-Vis-NIR

CONSTRUIR nuestros propios instrumentos, es algo muy gratificante. Este es un ejemplo de interface de un pequeño espectrometro didáctico que estamos construyendo con un estudiante de licenciatura.

Diseño, construcción de piezas, montaje, calibración, programación, elaboración de manuales (por escrito y video), realizar un practicario con tres actividades, ponerlo a prueba con estudiantes/profesores para el contexto de espectroscopia: todo eso es parte de este trabajo.

¿Suena mucha labor?

Bueno, la tarea completa se dividió en metas a corto plazo, y con un poco de disciplina se logró alcanzar el objetivo.

Si bien es importante la formación de gente que pueda hacer sus herramientas, makers, existe un límite de lo que debe hacer un estudiante. Por ejemplo, para una tesis de licenciatura solo se debería de demostrar capacidad de integrar los conocimientos y habilidades aprendidos durante la carrera. De modo que seria inaceptable que una tesis durara un año por falta de organización. En nuestro caso, el trabajo fue de seis meses.

Somos muy entusiastas de hacer instrumentación con aplicaciones particulares. Pero siempre se debe partir de lo que esta hecho y de lo que es mejor comprar que construir (un chip, por ejemplo).

El siguiente paso es formalizar más el hardware de este instrumento. Buscamos hacer un espectrometro portátil, no de juguete, y llegar a trasformarlo en un dispositivo óptico Raman. Pero todo eso será parte de otro post.

Por el momento. Déjanos un mensaje y dinos que opinas del video-manual. Pronto publicaremos el producto completo para que la gente lo manipule como quiera y necesite. ;)

Luz láser producida por una sola célula humana, ¿estamos lejos de lanzar rayos por los ojos?

Imagen del articulo.
Muestra e esquema del láser, la célula
y su emisión 

Utilizando espejos microscópicos e incorporando una molécula fluorescente es posible obtener luz láser de una célula. La técnica permitiría a mediano plazo mejorar diagnósticos médicos basados en microscopía y fototerapias para combatir el cáncer, por ejemplo. ¿Y a futuro que podría prometer?

Proteínas de medusa a tus riñones, y de ahí al microscopio.

Por su cualidad de alta intensidad y enfoque, la luz láser es utilizada en medicina como un cauterizador y bisturí de alta precisión. Solo por mencionar una aplicación, son muy populares las operaciones oftalmológicas que permiten a la gente librarse de las gafas.

Sin embargo, la luz láser también se emplea para iluminar células teñidas y con ello observar a detalle los orgánelos celulares, esta técnica ha revolucionado la biología, mostrando diversos procesos dinámicos intracelulares. Pero... ¿si en lugar de usar el láser para iluminar la célula, hacemos que la misma célula sea un láser?

Malte Gather y Seok Hyun Yun del Centro Wellman de fotomedicina en el Hospital General de Massachusetts en EEUU han explorado esta idea con éxito.

Primero, obtienen una proteína fluorescente de una medusa; esta molécula es el "medio activo", responsable de producir la luz. Después realizan ingeniería biológica para incorporar la proteína en células de riñón humano, de tal forma que estas mismas células produzcan su medio activo para crear radiación láser.

Parodia de los usos de cirugía láser
en los ojos

Posteriormente, una a una, las células son colocadas entre espejos plano-paralelos de 20 micras de área y son iluminadas con luz azul, que es la "fuente de energía" del sistema. Las proteínas absorberán la energética luz y emitirán luz verde que rebotara una y otra vez entre los espejos; la luz que logre salir de esta "cavidad óptica" contará con la amplificación y sincronía que caracteriza a la luz láser. Durante y después de producir la luz láser, las células están vivas. Más aún, si se degrada la proteína por la radiación, la célula puede crear su propias proteínas fluorescentes.

El trabajo de M. Gather y S. Hyun Yun es relevante porque mostró el primer láser vivo, y aunque su estudio es en sobre una platina de microscopio (in-vitro), abre la puerta para que células humanas puedan emitir luz intensa, la que puede usarse para monitorear con precisión enfermedades y... aplicaciones de ciencia ficción. Con todo, es oportuno recordar que el uso de proteínas fluorescentes se ha convertido en un trabajo casi cotidiano en muchos laboratorios de investigación médica. Gatos, puercos y otros animales son modificados genéticamente para obtener luz fluorescente y estudiar enfermedades. Seguramente en un menos de una década encontraremos pacientes que les brilla los riñones antes de que estos enfermen de gravedad.

¿Se vale soñar con el dedo de ET o lanzar rayos como Superman?

Falta mucho para lanzar rayos
por los ojos. Lo siento fans de ciclope

Es jocoso pensar que las personas pueden brillar antes de que sus cuerpos sufran un cambio drástico. Por ejemplo, pruebas de fertilidad basadas en esta técnica implicarían ver por la calle señoras como semáforos, podría ser así: si se pone rojo, ¡cuidado se puede embarazar!; pero si es verde, adelante, divierte. Aún así, esta aplicación seria con luz no-láser, pues falta incorporar la invasiva cavidad óptica (los espejos), que en realidad son innecesarios.

También sería interesante que un pensamiento desencadena una señal eléctrica que terminara por encender una célula capaz de brillar, esta luz podría trasmitirse a toda clase de aparatos electrónicos extracorporales. Tal vez esta aplicación sea la llave para una telequinesis asistida por la tecnología. Pues con un pensamiento (y sin manos) podríamos jugar video juegos y conducir el auto. Lo cierto es que esto es ciencia ficción lejana, pero para nada imposible.

Por más de 50 años, los láseres son un éxito de la ingeniería basada en la mecánica cuántica. Los podemos encontrar en el supermercado escaneando códigos de barras pegados en productos, en apuntadores para dar una conferencia o clase, en los reproductores de discos compactos de nuestras películas y en los hospitales ayudando en el diagnostico y terapia de enfermedades. Pero faltan varios años para que un humano sea literalmente un láser.

Finalmente les dejo una entrevista televisada (en inglés) de los dos investigadores. Muestra imágenes bonitas.

Gather, M., & Yun, S. (2011). Single-cell biological lasers Nature Photonics, 5 (7), 406-410 DOI: 10.1038/nphoton.2011.99

Película de "balas" láser, como en Star Wars, pero esto es ciencia

Inspiración del cine

Es un elemento clásico de las películas de ciencia ficción presentar armas de rayos láser, donde simulan dispar ráfagas de luz. Más allá del entretenimiento ¿Esta imagen icónica de la ciencia ficción se puede reproducir en laboratorio? ¿Y para que podría ser útil?

Bueno, si se trata solo observar el haz láser, basta con tener suficiente polvo o humo en el cuarto para ver la traza del haz lumínico. Pero ver un pulso luminoso viajando es extremadamente difícil. Puedes pasar varias veces tu mano cortando y liberando el camino del láser y no lograras el efecto, puedes construir un láser pulsado y tampoco podrás ver las definidas y largas trazas de estos "balazos" láser. Lo que necesitas es una combinación entre un láser pulsado, una cámara rápida, y un buen sistema de sincronización.

Mejor que ficción, es ciencia

Resulta que un grupo de investigación polaco construyó un nuevo láser compacto de 10 terawatts (¡qué es mucha potencia!) y lo probó con una cámara rápida, disparada a diferentes intervalos, para registrar los pulsos ultracortos viajando a lo largo de un pasillo. Con la colección de fotos hicieron el video que ilustra esta entrada; el cortometraje en slow-motion muestra proyectiles de luz viajando igual que en una películas de ciencia ficción.

"Sí desea filmar un solo pulso de luz moviéndose lentamente, deberías tener una cámara operando a la velocidad de un billón de cuadros por segundo ", afirmó el Dr. Yuriy Stepanenko, líder del equipo responsable por la construcción del láser.

Tales cámaras no existen. Así que para filmar el pulso viajero usaron un truco famoso de fotografía. Sincronizaron una cámara con la generación del láser a una razón de aprox. 10 disparos por segundo y a cada subsecuente pulso la cámara se dispara con un retraso minúsculo al previo.

Es decir, cada cuadro de esta película muestra un pulso láser diferente; afortunadamente la física del fenómeno es la misma para cada pulso. Así que podemos ver otros fenómenos asociados al movimiento del pulso en el espacio. Por ejemplo, se producen fogonazos de esparcimiento en las paredes cuando la luz atraviesa la nube de vapor de agua condensada.

Útil para estudiar contaminación del aire

Cada pulso, dura unos cuantos femtosegundos y es tan potente que ioniza el aire. Creando una fibra de plasma a lo largo de cada pulso. Con los adecuados parámetros se evita la dispersión y el autoenfoque de haz,  que sucedería normalmente por la interacción de los campos electromagnéticos del láser y el plasma. Estas características son vitales para garantizar que el pulso alcance mayores distancias en la atmosfera que un pulso de menor potencia.

Aunque la emisión de este láser está definida en el infrarrojo cercano, su potencia es tan alta que ioniza el aire, produciendo plasma emisor de  una gran cantidad de longitudes de onda. Lo cual es una ventaja para hacer análisis espectroscópicos atmosféricos. Tanto su poder de penetración y ventaja en emitir varios colores hace al láser un excelente candidato para realizar estudios de contaminación del aire.

Aquí veo fantasmas

Finalmente, La película tiene un toque fantasmagórico, pues en varios puntos del video (0.14, 0.28, 0.44 y 0.57), los fogonazos iluminan a los científicos del laboratorio, quienes parecen almas perdidas y en pena deambulando por el limbo. Tranquilos, solo son científicos perdidos y en pena deambulando por laboratorio, LOL.

Láseres para revelar huellas digitales latentes

En la guerra contra el crimen, la obtención de huellas digitales sigue siendo uno de los principales frentes de batalla. La obtención de herramientas que permitan obtener una huella latente sobre una superficie (sin importar la forma, composición, color, o el ambiente) puede ser la pieza clave para resolver un delito. En esta área el láser tiene un aporte más que sobresaliente. 

En las yemas de los dedos están cubiertas con crestas alargadas que se retuercen u bifurcan. De los poros de las yemas se excretan sustancias que se impregnan al contacto con las superficies, duplicandose el patrón de las crestas formando la huella digital. Tal sello de goma entintado que deja una marca en un documento.

La típica huella latente tiene un peso de entre diez a un miligramo y alrededor del 99% de lo depositado es agua, que se evapora rápidamente dejando un residuo compuesto materiales inorgánicos (tal como: sal), y materiales orgánicos como aminoácidos, lipidos (e.g. aceites, grasas, ceras) y vitaminas.

Con tal cantidad tan pequeña de material residual sobre una superficie; por lo general, son muy difíciles de observar a simple vista las hullas latentes. Así que los investigadores utilizan diferentes técnicas para revelar estas marcas.

Existen varias técnicas populares para descubrir huellas. Por ejemplo, empolvar la superficie, utilizando polvos finos compuestos de una parte que asegure la adhesión ( usualmente son: resinas poliméricas) y otra parte que brinda el contraste con la superficie. También se utilizan humos de iodo, que son absorbidos por los lípidos dándole a la huella latente un color marrón. También se puede utilizar nitrato de plata, pues su ión de plata se enlaza electroquímicamente con el cloro del sal. Y, desde los años 50s, se utiliza ninhydrina, compuesto que reacciona con amino ácidos, mostrando una huella latente purpura.

Con todo, hay varias situaciones donde las huellas latentes son difíciles de revelar. Empolvar tiene un límite para poderse aplicar antes de la evaporación de componentes. El color de algunas superficies (oscuras por ejemplo) hace inefectiva el uso de varias técnicas químicas que justamente dejan un manchón oscuro, por lo que se pierde el contraste.

Así que se deben aprovechar otras características de los compuestos de las huellas latentes. Por ejemplo que son luminiscentes. Es decir, si son iluminadas con luz ultravioleta, la huella emitirá luz de color verde; si la es iluminada con luz verde, presentara un color rojo. Las huellas digitales contienen materiales luminiscentes como riboflavin (vitamina B2) pyridoxin (vitamina B6).

Ahora solo falta una fuente de luz intensa, muy direccional, y que se pueda emitir colores específicos. Y lo mejor es un sistema láser que cuenta con todas esas características.

Pese a que todo esto es conocido desde los años 80. En este video de reciente manufactura, están muy contentos los periodistas y policías de haber comprado un sistema láser nuevo. Pues sin añadir algún componente a la superficie, las huellas digitales se revelan rápidamente permitiendo su captura fotográfica.

La primera vez que vi la fluorescencia en lípidos fue en aceites de oliva extra-virgen, fue una agradable sorpresa en ese ocasión. Después al ver como brillan las huellas digitales me alegre de tener una herramienta óptica en un laboratorio forense. Después de todo, estas técnicas fotofísicas aportan claros y confiables resultados en las áreas biológicas y médicas.

Así que ya aparte de la lectura de discos compactos, espectáculos láser, y su uso en las cajas registradoras del supermercado, el láser tiene también sus aplicaciones en mostrar una huella latente y ayudar a resolver un crimen.

¡Así de excitante es la física !

Imagen de cuatro glóbulos rojos formada con el sonido que emiten

PARA FINES CLÍNICOS existen muchos tipos de microscopias, pero aún se busca una técnica que brinde la mayor resolución, una profunda penetración entre los tejidos y que sea inocua incluso a largo plazo.

Por ejemplo, la microscopia óptica confocal es la que brinda mejor resolución lateral (mostrando detalles de organelos celulares) pero tiene una penetración baja (0.1 mm aprox.), incluso superficial. En contraste, la ultrasonografía de 5 MHz puede penetrar hasta 10 cm (ideal para estudios en estomago hinchado), con una pequeña resolución que apenas puede distinguir entre tejido y órgano. También se pueden usar los populares rayos-X, pero su uso desmesurado y altas exposiciones pueden ocasionar mutaciones celulares por los efectos de la radiación ionizante.

Una alternativa que evita la radiación ionizante, y que nos brinda un punto intermedio entre las técnicas puramente ópticas o acústicas es la fotoacústica. Básicamente consiste en que las muestras biológicas absorban la luz pulsada de un láser, en un proceso donde la energía se transforme en una onda sónica detectable.

Si se escoge bien la longitud de onda (color) del láser, esta energía se absorberá en una zona precisa, lo que brinda una buena resolución, y la señal acústica viajara una larga distancia hasta el micrófono detector, lo que implica una gran penetración. Mejor aún, se puede usar luz infrarroja que es no-ionizante, es totalmente inocua a largo plazo.

¿Hasta donde podemos llegar a ver con esta nueva microscopia?

Esta entrada esta ilustrada con imágenes obtenidas por fotoacústica convencional. Son cuatro glóbulos rojos antes (arriba) y después  (abajo) de un proceso de sobre exposición de luz (fotoblanquo o photo-bleaching) causado por una fuente luminosa auxiliar. De hecho, en la imagen inferior se aprecia la "forma de dona" o de "cojín con botón" tan característica de estas células. Sin necesidad de colorantes para mejorar el contraste, estas células absorbieron luz para emitir un sonido particular que llego a los sensores de posición que transformaron la señal mecánica en una eléctrica que se puede desplegar en una imagen digital, como la que aquí mostramos.

Hasta hace poco la mejor resolución axial por fotoacústica de 50 MHz alcanzaba a distinguir entre tejido y célula; parece claro: tenemos un nuevo récord. Lo que me emociona, pues la fotoacústica es un campo donde suelo hacer investigaciones. 

Esta curiosidad de laboratorio bien puede llegar a usarse como una una vía para detectar cáncer en una etapa muy temprana con todas las ventajas de las microscopias ya mencionadas al principio de esta entrada.

Más información al respecto la puedes encontrar en el sitio de noticias de la APS. o leer el articulo original:

Junjie Yao, Lidai Wang, Chiye Li, Chi Zhang, and Lihong V. Wang (2014). Photoimprint Photoacoustic Microscopy for Three-Dimensional Label-Free Subdiffraction Imaging Phys. Rev. Lett. DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.014302

Domando las causticas luminosas para producir imágenes

Fotografía del acrílico devastado que forma
la foto de Alan Turing pro medio de causticas.
Crédito: Alain Herzog

En palabras llanas, las causticas son patrones que representan a la envolvente de los rayos de luz reflejados o refractadas por una superficie curva. Así, cuando la luz atraviesa un vaso con agua, el objeto proyecta una sombra y también una zona luminosa –esa es una caustica–, otro ejemplo es cuando la luz atraviesa las ondas en la superficie de una alberca, en el fondo de la piscina se ven patrones más o menos intensos de luz, en un patrón poco ordenado. Usualmente los diseñadores gráficos añaden este efecto óptico a sus modelos para darles más realismo.

Con todo, debo confesar que a las causticas siempre las había visto como fenómeno poco útil, que estaba más allá del modelo simple y elegante de las lentes delgadas y de la óptica paraxial. Por lo general, veía a computologos y amantes de la geometría estudiando diferentes superficies para hacerse de una idea para saber cómo sería la caustica. Pero este problema se puede pensar al revés: dada una forma ordenada y reconocible de caustica, ¿cómo es la forma de la lente o superficie que la forma?

Efectivamente, investigadores de la EPFL en Suiza, han resuelto esta pregunta inversa, ellos están produciendo imágenes aprovechando las causticas. En una placa de acrílico totalmente transparente han devastado ligeramente su superficie para formar una lente que no obedece las reglas de las lentes delgadas, pero igual deforma el frente de onda para obtener una imagen nítida. Ellos describen su descubrimeinto en el sig. video (lineas más abajo, explicó el video)

Al colocar la placa a la distancia correcta entre una pantalla y una fuente de luz brillante –como una fuente de leds o del Sol–, una imagen aparece. La imagen se forma porque el grabado en la placa acrílico desvía en diferentes direcciones los haces de luz, produciendo zonas oscuras y brillantes de modo que se puede proyectar imágenes como es el caso del rostro de Alan Turing, quien es considerado el padre de la ciencia computacional moderna.

La ventaja principal de estas lentes es que pueden formar una imagen nítida pese a que la lente se desvié mucho de la dirección de los haces de luz, eso es possible porque se ha superado las limitaciones de la óptica paraxial.

Por lo regular, cuando tenemos una lente, como de una lupa, podemos calcular la forma de la caustica. En este caso, se procedió de modo inverso, se decidió que imagen se quería proyectar, se empleó un algoritmo que indicara que forma debía tener la superficie de esta lenta atípica y después se procedió a realizar el grabado y pulido del acrílico. Casi cualquier medio se puede manipular para convertirlo en un proyector –ventanas, carcasas plásticas, vasos, joyería, entre otros.

Finalmente debo señalar que existen varias formas de obtener imágenes además de las lentes delgadas. Además existen técnicas como las lentes de Fresnel, lentes de índice de refracción  variable , utilizando una apertura muy pequeña, entre otras.

Vía: Laser Focus World 

¿Por qué no me gusta el nombre de láseres aleatorios para medios ópticos híbridos?

Ilustración del concepto de
láser convencional y láser aleatorio.
Vía: Nature

Pues porque creo que se usa mal el nombre: que son más una forma de llamar la atención, que un nuevo concepto en óptica física.

Aclarando que sí es un láser

Un láser es una fuente luminosa que se caracteriza por tres cualidades: 1) una enorme intensidad, 2) una alta mono-cromaticidad, 3) una gran coherencia. Sin importar que sean láseres de gas, diodo (como de los apuntadores), o de cristal; todos ellos cuentan con estas cualidades que los diferencian del Sol, una lámpara de color rojo, la luz de tu monitor.

Entonces, un láser puede usar un colorante orgánico en estado líquido como medio activo. De hecho, estos láseres de colorante (dye-laser system, en ingles) han sido usados por muchos años. Estos medios son isotrópicos y homogéneos: no son cristales.

Más aún, otro material de ejemplo, el nitrógeno es un medio super-radiante, lo que significa que se pueden construir fácilmente láseres a base de este gas. Que por cierto, también carece de estructura cristalina ;)

Aunque no requieren una cavidad-óptica, Si a los dispositivos láser basados en colorantes o nitrógeno se les añade una cavidad óptica, pues la emisión de salida tiene una mejor calidad. Pues para eso se diseña la cavidad-óptica.

Aclarando que es la radiación amplificada de medio activo híbrido

Ahora, si a un colorante (por ejemplo: rodamina-6GB) lo mezclo con nanopartículas (tal vez, de ZnO o de SiO_2) lo que tengo es un medio híbrido: orgánico-inorgánico. Si a este medio lo ilumino con un láser (podría ser un Nd:YAG emitiendo radiación infrarroja a 1064 nm), pues obtendré emisión luminosa. Sin embargo, no será láser.

La emisión de este sistema es:

1) Intensa. Las nano-partículas pueden funcionar como cavidades-ópticas microscopicas que en conjunto amplifican la intensidad del haz. Es decir, el colorante tendrá una emisión luminosa, pero al añadir el compuesto inorgánico se amplifica el efecto. Más aún, si la energía suministrada al medio es muy pequeña, se carece de amplificación; osea, existe un umbral de energía de entrada, al pasarlo se obtiene la amplificación. Por este hecho, muchos investigadores consideran a este sistema un láser.

Sin embargo, aumentar la intensidad óptica de salida es un tema de comparación con otras fuentes convencionales. Pues todos los láseres son poco eficientes en la razón (energía de salida)/(energía de entrada). En este sentido, los más eficientes tienen un 5%. SON NECESARIAS OTRAS CUALIDADES que hacen a  la luz láser especial y la diferencian de concentrar los rayos solares con una lupa.

2) Multicolor. Se requiere una cavidad-óptica para seleccionar un sólo color, o que el entorno absorba todos los colores, excepto el deseado. La composición espectral de las fuentes amplificadas aleatorias es amplia, por lo general emplean filtros externos al sistema para obtener un sólo color.

3) Falta de coherencia. Igual como los casos convencionales de los láseres de colorante o nitrógeno, una cavidad-óptica adecuada le brinda al sistema una mayor coherencia. Sin este elemento, pues nop, no hay radiación láser.

Sin embargo, el hecho que se cuente con una fuente intensa de luz de coherencia despreciable es una buena idea para quienes obtienen fotografías (e.g. microscopistas médicos), pues pueden evitar la formación  de artefactos indeseables en las imágenes, como el efecto speckle, que representa ruido en muchas imágenes. 

Los láseres aleatorios, de los que se mencionan en la literatura corriente, carecen de muchas de las propiedades de los láseres convencionales, pues únicamente se aprovechan las cualidades del medio. Al carecer de una cavidad-óptica macro se pierde la oportunidad de brindarle al sistema cualidades que pueden útiles en varios campos. Con todo, estas fuentes pueden ser útiles en aplicaciones particulares que todavía están en desarrollo. Sera interesante construir uno de estas fuente y estudiar hasta donde pueden llegar.

Pregunta para pensar

¿Qué aplicaciones aprovechan la coherencia óptica de los láseres?

Por cierto, este post participa en la XVIII edición del Carnaval de la Química, que alberga ahora el blog XDCiencia.

Platica completa de Luis Orozco: Nanofibras ópticas para sistemas híbridos

Excelente platica para estudiantes de licenciatura de física o ingeniera a fin a la óptica. Espero que les aproveche bien este video de la IF-UNAM, que hace un esfuerzo nuevo para llevar más física a más gente.

Por otro lado, tuve el placer de haber trabajo con Luis hace ya algunos años. Creo que ha sido de mis experiencias intelectuales más deliciosas.

Violeta de genciana y óptica no-lineal de segundo-orden

Fig 1. Esquema tridimensional de la
estructura molecular
del violeta de genciana.

Los efectos ópticos no-lineales  (ONL) prometen una nueva generación de dispositivos fotonicos innovadores, que incluso pueden desbancar a muchos aparatos electrónicos de hoy. Mientras esa vaticinio se acerca, los investigadores hacemos experimentos con diferentes materiales en la búsqueda de los más eficientes, duraderos y económicos para exhibir fenómenos ópticos particulares.

Tal es el caso del fenómeno no-lineal de la generación de segundo armónico óptico. En este efecto dos fotones láser de la misma frecuencia se transforman en un solo foton láser con el doble de frecuencia. Por ejemplo, la radiación infrarroja se trasforma en una emisión verde. Tradicionalmente, se emplean materiales inorgánicos (como el BaTiO2) para mostrar este fenómeno. Sin embargo, para obtener estos materiales se requiere de un delicado procesamiento, mucha infraestructura, bastante tiempo y una gran inversión para obtener cristales de un par de centímetros cuadrados. Una ruta que puede ser muy prometedora es utilizar materiales orgánicos. En esta ocasión, nosotros exploramos esta vía dispersando violeta de genciana en un vidrio sol-gel. Y obtuvimos resultados muy buenos :)

Fig. 2. a) Fase liquida del sonogel con la solución
de violeta de  violeta de genciana. b) Después de un par
de semanas, en condiciones estándar,
se obtiene un monolito estable.  

El violeta de genciana es un compuesto orgánico comercial muy popular. Se le utiliza como tinte de cabello, para revelar huellas dactilares. También se le puede emplear como antiseptico, entre otras aplicaciones industriales. Para óptica es un material interesante por tener una alta transferencia de carga eléctrica que le brinda propiedades fluorescentes, pero también este material es adecuado para desplegar efectos ONL. Así, en el régimen octupolar presenta efectos ONL de segundo orden. En la Fig. 1, se puede ver la estructura simétrica de la molécula en una representación 3D. 

Entonces, disoluciones saturadas de violeta de genciana se dispersaron en la fase líquida del sonogel (material del que hablando anteriormente). De tal modo, en este material híbrido, el violeta de genciana brinda la propiedad óptica deseada, mientras que el sonogel aporta un soporte transparente, inerte y estable. En la Fig. 2. se aprecia  un molde de teflon de 2 mL de capacidad donde se han añadido el sonogel y la solución orgánica; después las muestras son aisladas y tapadas por tres semanas a temperatura y presión ambiente. Luego de este tiempo, se obtienen pastillas sólidas y estables: nuestro material híbrido. Él que esta listo para ser analizado en diferentes pruebas fotofísicas.

Señales de generación de
segundo armónico óptico

Efectivamente, encontramos que las propiedades ópticas del material son dependientes de la cantidad de material orgánico dispersado en la matriz vítrea. Propiedades como el índice de refracción, absorción y fluorescencia  pueden ser controladas fácilmente al variar las razones entre los materiales constituyentes.

De mismo modo, la generación de segundo armónico también depende del la cantidad de violeta de genciana en el material. Mejor aún, en algunas muestras, obtuvimos señales de ONL del orden de una muestra estándar de cuarzo. Lo cual es importante pues demuestra la vialidad y alta eficiencia que pueden brindar los materiales orgánicos y especialmente los octupolares.

De hecho, no se realizaron más procesamientos a estas muestras, pues los materiales octupolares, pese a ser de la clase centrosimetrica, pueden mostrar efectos ONL de segundo-orden. Otros materiales orgánicos necesitan una pre-orientación en sus moléculas para mostrar tales fenómenos ópticos. Tales procesos, en la mayoría de los casos, son muy lentos y no prometen una estabilidad duradera. Por ello, los compuestos octupolares son una gran opción de investigación en óptica no-lineal. Por su puesto, más detalles de esta investigación se encuentran en el documento de referencia.

Ciertamente, el sonogel es un material al que hay que seguirle la huella por sus destacadas propiedades. Pero... pero esa es otra historia.

Referencia

Torres-Zúñiga, V., & Morales-Saavedra, O. (2012). Structural and nonlinear optical properties of Crystal-Violet octupolar dyes dispersed in bulk SiO2-sonogel optical-glasses Materials Chemistry and Physics, 133 (2-3), 1071-1082 DOI: 10.1016/j.matchemphys.2012.02.018


Por cierto, esta entrada participa en el XIV Carnaval de Química que hospeda el blog educación química.

¿Por qué no todas las lentes son curvas?, o ¿qué son las lentes GRIN?

Las lentes son dispositivos que permiten desviar los haces de luz. Las lentes se basan en la multiplicación del índice de refracción y la distancia recorrida, esta multiplicación es llamada camino óptico. Entonces, pueden existir lentes fundamentadas en el cambio de la distancia recorrida; estas serán las lentes tradicionales donde se varia la curvatura para obtener diversas clases de estos dispositivos.

Por otro lado, también se puede variar el índice de refracción del dispositivo. Obteniendo las lentes GRIN. Acrónimo ingles de Gradient Refration INdex.

En monolitos, en bloques de vidrio se pueden insertar iones de un metal, de modo que el índice de refracción cambia a lo largo del material. También se pueden utilizar tecnología sol-gel: momentos antes de la policondensación se insertan materiales que varían el índice y después se esparcen en el bloque. En la figura de este post se muestra un esquema de cómo serian estas lentes, en particular una convergente.

Se pueden diseñar y fabricar lentes GRIN de unos cuantos milímetros, por lo cual pueden ser muy útiles para insertarse en circuitos integrados ópticos, sistemas de guías de onda y otras interesantes aplicaciones.

Otro tipo de lente que es muy delgada, incluso, casi plana,  son las lentes de Fresnel. Pero de esas te platicaremos más en otra ocasión.


Preguntas para pensar:
¿Usando gelatina cómo fabricarías una lente GRIN? ¿Cómo la caracterizarías?

Cómo hacer cambios de índice de refracción continúo en una pecera

Este es un hermoso experimento de óptica geométrica

Consíguete una pecera pequeña, vierte unas cucharadas de azúcar, deja reposar unas 24 horas, y con un apuntador láser busca esas regiones.

Esas zonas donde cambia poco a poco el índice de refracción en la pecera y observaras que la luz es guiada dentro del agua, creando una hermosa curva de luz, un arco luminoso cóncavo o convexo dependiendo del gradiente del índice.

Por secciones, este efecto es todavía descrito por la ley de Snell, o como dicen los belicosos francés ley de Descartes. Es una forma interesante de introducir el tema de óptica, más aun de fibras ópticas, y mucho mejor aun, es una demostración clara de un dispositivo de alta tecnología: las lentes de gradiente de índice de refracción (GRIN por sus siglas en ingles). Las lentes GRIN son planas, porque los cambios del índice de refracción, como en esta pecera, curvan la luz. De modo que podemos tener lentes positivas (convergentes) o negativas (divergentes) en una ventana.

Para ilustrar estas ideas, te presento dos videos singulares, seguro los entenderás, porque la física es universal y trasciende otros idiomas.




Finalmente, te recuerdo que el índice de refracción es uno de los parámetros más importantes para la caracterización de un material, especialmente para aplicaciones relacionadas con la fotónica o la optoelectrónica.

Entradas relacionadas:

¿Por qué no todas las lentes son curvas?

Materiales con índice de refracción negativo.

¿Por qué las laminillas tienen un índice de refracción pequeño?

De película de ficción: para deshacerse de la basura espacial hay que usar rayos láser

La idea de una aventura espacial es asociada con los conceptos de progreso, educación, y descubrimiento. Sin embargo, se relaciona poco con la idea de limpiar nuestros desechos espaciales. Efectivamente, existe una gran cantidad de pedazos de satélites, fragmentos de unidades de cohetes, y otros desechos que en su momento fueron parte de los más gloriosos programas espaciales. La mayoría de esta basura consiste de pedazos pequeños producidos en la colisión con otros pedazos mayores de basura

El cinturón de basura espacial es peligroso por las altas velocidades que adquieren las naves espaciales o satélites en esas orbitas.  Una colisión con estos desechos (que viajan 20 veces la velocidad del sonido a nuestro nivel y atmosfera) puede comprometer al casco de las naves de las futuras misiones espaciales.

En la siguiente inforgrafia se hace un recuento de la ubicación y cantidad de basura espacial.

imagen vía: dailyinfographic 

imagen del articulo en Arxiv

Como afirmaron James Manson y amigos de la NASA, una de las soluciones a la contaminación espacial es golpear las piezas de basura con un láser. Para nada se trata de destruirlas o vaporizarlas con el láser, simplemente se utiliza el láser para frenar la velocidad de la basura, la transmisión de ímpetu de los fotones con la basura ocasionara que la basura disminuya de orbita y que se incinere como consecuencia de la fricción con la atmosfera. De hecho, países como USA y China cuentan con la tecnología de armas anti-satélites que se puede utilizar para tal tarea, pues solo se requiere de láseres de 5KW, un telescopio adecuado y un poco de óptica adaptativa. Con todo, una prueba civil de este estilo debe costar alrededor de 10 millones de dólares.

Por otro lado, el caso contrario impulsar con láser objetos de la Tierra al espacio lo hemos comentado en anteriores posts como una posibilidad factible. En ambos casos se utiliza el láser para transmitir energía en un proceso indirectamente termodinámico. Pues el efecto de presión de radiación donde solo cuenta el ímpetu de los fotones es tan pequeño que lo hace impráctico, pero no físicamente imposible.

Sera muy interesante ver aplicaciones de cambio de movimiento de objetos grandes por medio de láseres, hay que estar atentos.

NOTA: Esta entrada participa en la VI Edición del Carnaval de la Tecnología que alberga José Manuel López Nicolás en su blog Scientia.

El artículo pionero de fìsica al que le borraron los datos experimentales

Al poco tiempo que se invento el láser, un torrente de descubrimientos comenzaron a emerger gracias a las grandes intensidades luminosas que estaban ahora a disposición de los investigadores. Muchos de estos descubrimientos están dentro de la categoría de la “óptica no-lineal”, que se puede definir como el estudio de los medios cuyas propiedades ópticas son funciones de la intensidad de la luz. Por su puesto, estas intensidades se encuentran cercar de los 10^20 watts por metro cuadrado, tan altas intensidades que unicamente  fuentes luminosas como los láseres alcanzan.

De este modo, cuando los láseres se inventaron, uno de los descubrimientos más importantes fue la generación de segundo armónico óptico. El cual consiste, básicamente, que un haz láser de frecuencia f es transformado por un medio en el doble de su frecuencia 2f. La mayoría de los apuntadores láser que emiten color verde trabajan por este mecanismo, doblando una frecuencia original de 1064 nm (haces infrarrojos) a 532 nm (en la región visible: color verde).Anteriormen te hemos mostrado videos de este efecto no-lineal.

Arreglo experiemntal original para detectar generacion de segundo armonico. via wikipedia

La generación de segundo armónico fue reportada primero en Phys. Rev. Lett. 7, 118-119 (1961), donde se describe el uso de un láser de rubí de alrededor de 3 kW de poder instantáneo enfocado en una pequeña área, el haz transmitido es separado por medio por un prisma  y se observan en una  placa fotografica el espectro de transmission, como se ilustra en la primer figura. El artículo publicado es desafortunadamente poco famoso en el campo de la física de láseres por contener una pifia anecdótica.

Principal imagen del articulo de Phys. Rev. Lett. 7, 118-119 (1961)

En esta imagen, del articulo original, la mancha grande fue causada por haz fundamental  (6943 A) ) al incidir en una placa fotográfica. La flecha apunta a una mancha mucho más pequeña, donde se encuentra la huella dejada por la emisión de segundo armónico (3472 A). Recordando que el articulo realizado antes de la era del PDF y el dominio digital en la impresión, pues resulta que en el proceso de impresión, los ayudantes del editor tomaron ese punto como si fuera un mancha de suciedad, una mota de polvo, por lo cual la BORRARON. ¡¡ De modo que el artículo se imprimió con el dato experimental completamente borrado!! (OMG)  

De todos modos, el articulo esta en lo correcto. Actualmente, la generación de segundo armónico es más que una curiosidad científica, también cuenta con alta presencia en aplicaciones comerciales en láseres. Este trabajo pionero ha llevado a contar, hoy en dia, con laseres que se pueden sintonizar, por lo cual podemos tener laseres de varios colores en su emision.

Buena parte de mi trabajo se basa en la detección del la generación del segundo armónico óptico como medio de caracterización de materiales orgánicos. Muchas veces la emisión es poco importante por lo cual este articulo pionero me muestra que para encontrar un efecto nuevo basta con tener un prueba, sin importar que esta sea pequeña. Existen otros casos en la historia de la ciencia donde los datos no son suficientes como para afirmar una conclusión definitiva. Por ejemplo, la afirmación de Hubble de un Universo en expansión, pero esa es otra historia que ya trataremos en este blog.

El mapa de la óptica cuántica (img)

Un resumen visual de las aéreas alrededor de la óptica cuántica. Claro destaca el tema de láseres :)

Esta imagen forma parte de las notas del curso de óptica cuántica de la Universidad de Nuevo Mexico. Las que son un agasajo de información para los físicos interesados.

Cómo hacer una cámara de niebla para estudiar partículas elementales

Este video en español da las instrucciones para construir una sencilla cámara de niebla para observar trazas de partículas alfa.

En el video usan un material radiactivo: el americio 241, según el autor del video lo contienen algunos detectores de humo. También se pueden utilizar “minerales o sales de uranio. Para esto último, conviene convertir la sal de uranio (Acetato de uranilo o nitrato de uranilo) en una sal insoluble en agua y adherirla a un pequeño soporte”.

Siempre es interesante encontrar videos donde construyan aparatos científicos con lo que hay a la mano, espero que este video sirva para los que tienen proyectos escolares o inquietudes científicas.

 Por su puesto hay alternativas más simples para hacer estos aparatos, con un fin demostrativo.

Felices experimentos!!

Cómo implementar un microscopio confocal y fotoacústico

Cuando pulsos láser altamente energéticos inciden en un material absorbente se producen efectos de disipación de energía, un efecto no-radiativo (que no produce luz) es la generación onda acústicas. El análisis de estas ondas acústicas permite caracterizar la estructura de las muestras irradiadas. Tal es eficiente esta técnica que se puede utilizar para detectar e incluso obtener imágenes de tejidos y células.

Con todo lo bueno de la técnica fotoacústica es deseable que a una misma muestra se le estudie con esta técnica y otras adicionales para así tener más información susbstancial. Por ejemplo, combinarla con microscopia óptica confocal. Sin embargo esta microscopia utiliza láseres de emisión continua (Continous-Wawe) que causan una disminución notable en la amplitud de la señal fotoacústica la cual requiere fuentes de luz pulsadas.

Zhiliang Tan y amigos de la Universidad Normal del Sur de China tiene una solución: emplear una microcavidad acústica como guía de onda para amplificar la señal mecánica. Muestras de sangre son colocadas en un portamuestras, el cual tiene forma de pipa. Los autores afirman que reduciendo el volumen de la cavidad pueden aumentar la variación de presión a la misma temperatura; El portamuestras y cavidad resonante tienen un diámetro de 0.5mm y son unidos por un conducto delgado con un diámetro de 0.25mm y un largo de 200mm. De este modo los investigadores aseguran que la señal fotoacústica se intensifica en un factor de 1000 (wow).

Las señales fotoacústicas necesitan ser inducidas por fuentes pulsadas, para permitir el proceso de cambio de temperaturas. Mientras que los microscopios confocales requieren láseres continuos. Para este caso, la solución es práctica: se coloca un chopper (un disco giratorio con muescas) cuando se hacen las medidas fotoacústicas y se retira cuando se trabaja con la señal confocal.

Lo notable del trabajo es la amplificación mecánica de la señal acústica empleado conceptos de gas ideal; además de la incorporación del prototipo fotoacústico a un microscopio confocal, de modo que los investigadores obtienen imágenes (de un lado) acústicas y (del otro lado) ópticas del orden de micras, por lo cual se pueden observar células, como glóbulos rojos, sin mayor problema.

Referencia:

Tan, Z., Tang, Z., Wu, Y., Liao, Y., Dong, W., & Guo, L. (2011). Multimodal subcellular imaging with microcavity photoacoustic transducer Optics Express, 19 (3) DOI: 10.1364/OE.19.002426

Links relacionados:

Ley de Malus óptica y la fotoacústica.

Detectar cáncer con ondas acústicas y láser

Cómo fabricar y caracterizar OLEDs hechos en el garaje

Los polímeros y moléculas orgánicas electroluminiscentes pueden ser el futuro de los OLEDs (diodos orgánicos emisores de luz, por siglas en ingles). Estos nuevos materiales son de bajo costo y fácil procesamiento, pueden llevarnos a una nueva generación de fuentes de luz flexibles, modulables y de bajo consumo energético . Sin embargo, en términos de enseñanza son poco utilizados como herramienta.

J.L Maldonado y amigos del CIO nos presentan un método sencillo y económico para fabricar y caracterizar diodos orgánicos de luz con fines didácticos tanto para físicos y químicos. Utilizando materiales como pintura de plata (para hacer el cátodo conductor) e incluso sustratos flexibles de plástico los autores muestran la sencillez de armar uno de estos dispositivos aunque los reactivos electroluminiscente reportados están fuera de la común alacena. Además, José Luis muestra cómo interpretar mediciones de luminiciencia y de corriente-voltaje, además de mostrar cómo se hacen los cálculos de la eficiencia obtenidos.

De acuerdo con José Luis es posible hacer estos dispositivos cómo parte de un proyecto escolar, pues existen muchas bases físicas y químicas por explorar en el salón de clases. Incluso algún estudiante podría con este solo articulo emprender una serie de investigaciones por su cuenta, en su recamara, o como dicen los americanos en su garaje.

Le seguimos la pista a J.L. Maldonado y amigos pues sus investigaciones son muy cercanas a las suyas, además en mi garaje ya empecé hacer mis OLEDS y celdas solares con mis puntos cuanticos y jugos de frutas, respectivamente. Ya les mostraremos los resultados ;)

Mientras tanto: ¡Felices experimentos!

Enlace relacionados:
Octopolos orgánicos como base de tecnología óptica no-lineal.

Encapsulando sistemas orgánicos en Si02 para óptica de alto nivel.

Referencia:

S. Vazquez-Cordova, G. Ramos-Ortiz, J.L. Maldonado, M.A. Meneses-Nava, and O. Barbosa-Garcıa (2008). Simple assembling of organic light-emitting diodes for teaching purposes
in undergraduate labs REVISTA MEXICANA DE FISICA E, 54 (2)

Cómo usar rayos gama para fabricar un láser

La obtención de un láser de rayos gama es un reto de la física moderna. Por mínimo, existen dos problemas a resolver:

1)La acumulación de núcleos isómeros en una muestra

2)Disminuir el ancho espectral de emisión de rayos gama

Al parecer la obtención de emisión láser a niveles nucleares es imposible de obtener por métodos tradicionales.

Sin embargo, E. V. Tkalya de la Lomonosov Moscow State University, propone en un trabajo teórico muestra cómo amplificar la radiación gamma empleando un cristal dieléctrico de torio (Th). De acuerdo con Tkañlya, la amplificacion laser se debería a 3 factores:

1) la excitación de una gran cantidad de isómeros de torio por medio de pre-radiación láser de unos cuantos Watts. Este mecanismo de excitación láser se usa en muchos otros sistemas láseres. Por ejemplo, los de colorante (dye) o los que usan generación de segundo armónico.

2) la obtención de inversión de población en los niveles nucleares de una muestra fría colocada en un campo dípolar magnético. En subniveles de Zeeman.

3) La emisión/absorción de los fotones ópticos por los núcleos de torio en el cristal sin retroceso. Es decir, por un efecto Mossbauer en la región óptica.

De este modo, Tkalya considera que es muy factible la obtencion de un láser de rayos gama en la región óptica.

Los rusos cuentan con una alta reputación en trabajos teóricos de óptica, especialmente en láseres de alta potencia, tal vez como un subproducto de la guerra fría con USA. Lo curioso es que se descarte para la obtención experimental de tal láser,

¿quién será el primero en fabricar un láser con rayos gamma?

Referencias:

E.V. Tkalya, Nuclear Gamma-Ray Laser of Optical Range. arXiv:1011.0858v1 (2010)

Presentación de intro. a la espectroscopia de esparcimiento Raman

Me encontré con esta buena presentación (en ingles). El efecto Raman fue descubierto empleando luz solar. Hoy en día, es muy una técnica muy demandada en laboratorios químicos pues es complementaria de la espectroscopia infrarroja.

Intro a Raman

Me interesa mucho hacer experimentos con esta técnica: tanto para caracterizar materiales, como para hacer nuevos experimentos.

Espero poner más presentaciones científicas en este blog.

¿Explosión astronómica que viaja más rápido que la luz?: un eco de luz

De vez en cuando un evento en el cielo puede dejarnos atónitos. A principios del 2002, en la calmada constelación del Unicornio la estrella V838 Monocerotis empezó a aumentar drásticamente su brillo: una explosión nova sucedía.

Las fotografías de mayo a diciembre de ese año mostraban cómo una gran nube de gas se expandía a velocidades cercanas a las de la luz!  Más aún, posteriores conclusiones de observaciones entre los años 2005 y 2006 sugerían que la nube se movía entre 10 a 20 veces más rápido que la luz. (WTF!)

Esta es una animación hecha a partir de fotos individuales del Hubble. tomadas entre

1) 20/mayo/2002, 2) 2/sept/2002, 3) 28/oct/2002 4) 17/dicembre/2002 y 5) 8/feb/2004

Lindo video. Pero, nada viaja más rápido que la luz en el vacío. Lo que estaba sucediendo es un fenómeno conocido como eco de luz.

Lo que pasa es lo siguiente. En una explosión de grandes dimensiones, la luz que viaja directamente hacia el sensor es la primera en detectarse, es la que recorre el camino más corto. Acá viene lo interesante, la luz que viaja en otras direcciones se expande esféricamente, pero cuando hay materia (gas y polvo en este caso) la luz es absorbida y reemitida varias veces. Pues bien cuando el cúmulo de gas y polvo crece, también crece el camino que la luz debe recorrer para que llegue al sensor, pues ya no fueron  directo esos fotones, fue un camino con un cierto ángulo, tendiendo un camino más largo, esta es la corrección que se debe tomar en cuenta para medir bien la velocidad de la explosión.

Pues nada viaja más rápido que la luz en el vacío, excepto las malas noticias, las cuales siguen sus propias reglas.

¿Cómo se podría hacer un experimento (en tierra) para demostrar el eco de luz?

Vía: Star with a Bang!

Crédito: ESA/Hubble