Immagina:una lente ottica così potente da permetterti di visualizzare le caratteristiche delle dimensioni di un piccolo virus sulla superficie di una cellula vivente nel suo ambiente naturale.

La costruzione di strumenti con questa capacità è ora possibile grazie a un fondamentale progresso nella qualità di un materiale ottico utilizzato nell'hyperlensing, un metodo per creare lenti in grado di risolvere oggetti molto più piccoli della lunghezza d'onda della luce. Il risultato è stato segnalato da un team di ricercatori guidati da Joshua Caldwell, professore associato di ingegneria meccanica presso la Vanderbilt University, in un articolo pubblicato l'11 dicembre sulla rivista Materiali della natura .

Il materiale ottico coinvolto è il nitruro di boro esagonale (hBN), un cristallo naturale con proprietà hyperlensing. La migliore risoluzione precedentemente riportata utilizzando hBN era un oggetto circa 36 volte più piccolo della lunghezza d'onda infrarossa utilizzata:circa le dimensioni dei batteri più piccoli. Il nuovo documento descrive i miglioramenti nella qualità del cristallo che migliorano la sua potenziale capacità di imaging di circa un fattore dieci.

I ricercatori hanno ottenuto questo miglioramento realizzando cristalli di hBN utilizzando boro purificato isotopicamente. Il boro naturale contiene due isotopi che differiscono in peso di circa il 10%, una combinazione che degrada notevolmente le proprietà ottiche del cristallo nell'infrarosso.

"Abbiamo dimostrato che i limiti di efficienza intrinseci delle iperlenti possono essere superati attraverso l'ingegneria isotopica, " ha detto il membro del team Alexander Giles, fisico ricercatore presso il Naval Research Laboratory degli Stati Uniti. "Controllare e manipolare la luce su scala nanometrica è notoriamente difficile e inefficiente. Il nostro lavoro fornisce un nuovo percorso per la prossima generazione di materiali e dispositivi".

Ricercatori dell'Università della California, San Diego, Università statale del Kansas, Anche l'Oak Ridge National Laboratory e la Columbia University hanno contribuito allo studio.

I ricercatori calcolano che una lente realizzata con il loro cristallo purificato può in linea di principio catturare immagini di oggetti di dimensioni fino a 30 nanometri. Per mettere questo in prospettiva, ci sono 25 milioni di nanometri in un pollice e i capelli umani vanno da 80, da 000 a 100, 000 nanometri di diametro. Un globulo rosso umano è di circa 9, 000 nanometri e virus vanno da 20 a 400 nanometri.

Negli anni, gli scienziati hanno sviluppato molti strumenti in grado di produrre immagini con risoluzione su scala nanometrica, come i microscopi elettronici e a forza atomica. Però, sono incompatibili con gli organismi viventi:o operano in condizioni di vuoto spinto, esporre i campioni a livelli nocivi di radiazioni, richiedono tecniche letali di preparazione dei campioni come la liofilizzazione o la rimozione dei campioni dal loro naturale, ambiente basato sulla soluzione.

Il motivo principale per lo sviluppo di iperlenti è la prospettiva che possano fornire immagini così altamente dettagliate di cellule viventi nei loro ambienti naturali utilizzando una luce a bassa energia che non le danneggi. Inoltre, l'utilizzo della luce infrarossa per eseguire l'imaging può anche fornire informazioni spettroscopiche sugli oggetti che immagini, fornendo un mezzo per "improntare" il materiale. Queste capacità potrebbero avere un impatto significativo sulla scienza medica e biologica. La tecnologia ha anche potenziali applicazioni nelle comunicazioni e nei componenti ottici su nanoscala.

La fisica delle iperlenti è piuttosto complessa. Il livello di dettaglio che i microscopi ottici possono visualizzare è limitato dalla lunghezza d'onda della luce e dall'indice di rifrazione del materiale della lente. In combinazione con i fattori di apertura dell'obiettivo, distanza dall'oggetto alla lente e l'indice di rifrazione dell'oggetto in osservazione, questo si traduce in un tipico limite ottico di circa la metà della lunghezza d'onda utilizzata per l'imaging. Alle lunghezze d'onda infrarosse utilizzate in questo esperimento, questo "limite di diffrazione" è di circa 3, 250 nanometri. Questo limite può essere superato utilizzando hBN grazie alla sua capacità di supportare polaritoni fononici superficiali, particelle ibride costituite da fotoni di luce accoppiati a vibrazioni, atomi carichi in un cristallo che hanno lunghezze d'onda molto più corte della luce incidente.

Nel passato, il problema con l'utilizzo di polaritoni in questo modo è stata la rapidità con cui si dissipano. Utilizzando cristalli di hBN realizzati con il 99 percento di boro isotopicamente puro, i ricercatori hanno misurato una drastica riduzione delle perdite ottiche rispetto ai cristalli naturali, aumentando di tre volte la durata del polaritone, che permette loro di percorrere il triplo della distanza. Questo miglioramento si traduce in un significativo miglioramento della risoluzione delle immagini. L'analisi teorica dei ricercatori suggerisce che un altro fattore di dieci miglioramenti è possibile.

"Attualmente, abbiamo testato scaglie molto piccole di hBN purificato, " ha detto Caldwell. "Pensiamo che vedremo anche ulteriori miglioramenti con cristalli più grandi."

Nel 1654 Anton van Leeuwenhoek utilizzò uno dei primi microscopi artigianali per scoprire il mondo precedentemente sconosciuto della vita microscopica. Quest'ultimo progresso nello sviluppo di hyperlens è un passo significativo verso la scoperta di van Leeuwenhoek a un livello completamente nuovo, uno che permetterà ai biologi di osservare direttamente i processi cellulari in azione, come i virus che invadono le cellule o le cellule immunitarie che attaccano gli invasori stranieri.