Generación de supercontinuo en las espículas de unas esponjas

Por Francisco R. Villatoro, el 2 octubre, 2016. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Óptica • Physics • Science ✎ 3

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La luz supercontinua permite el desarrollo de láseres de luz blanca coherente. En laboratorio se genera mediante fibras microestructuradas tipo cristal fotónico. Las espículas de ciertas esponjas de Hawaii al ser excitadas con luz láser a 750 nm generan luz supercontinua entre 650 y 900 nm. Estas espículas se comportan como fibras de cristal fotónico con un núcleo de sílice recubierto por una microestructura de sílice-quitina. Su diseño podría inspirar nuevas fuentes de luz láser blanca, así como nuevas técnicas de fabricación de fibras ópticas.

Muchos seres vivos presentan partes en su cuerpo que están microestructuradas y se comportan como metamateriales. Los más llamativos son los que muestran propiedades ópticas exóticas, como la generación de supercontinuo. Su origen es la filamentación no lineal de pulsos ópticos cortos. Pulsos de tipo solitón picados en el espaciotiempo y en frecuencia; efectos no lineales autoenfocan estos pulsos, reduciendo su anchura espaciotemporal a costa de incrementar su anchura espectral, con lo que aparece el supercontinuo. En laboratorio se alcanzan pulsos con un espectro tan ancho que cubre desde el ultravioleta al infrarrojo.

El artículo es Hermann Ehrlich, Manuel Maldonado, …, Konstantin R. Tabachnick, “Supercontinuum Generation in Naturally Occurring Glass Sponges Spicules,” Advanced Optical Materials (08 Jul 2016), doi: 10.1002/adom.201600454; información divulgativa en Gaia Donati, “Biophotonics: Bright sponges,” Nature Photonics 10: 625 (29 Sep 2016), doi: 10.1038/nphoton.2016.199. También recomiendo leer a Alessandro Polini, Stefano Pagliara, …, Dario Pisignano, “Optical properties of in-vitro biomineralised silica,” Scientific Reports 2: 607 (29 Aug 2012), doi: 10.1038/srep00607.

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Las esponjas Sericolophus hawaiicus viven en el fondo del oceáno, a unos 400 metros de profundidad, alrededor de las islas de Hawaii. Están conectadas con el fondo mediante un mazo de espículas. Cada una tiene un núcleo de sílice (SiO2), similar al de una fibra óptica, presentando reflexión total interna. El núcleo más interno de 1 μm de diámetro tiene un índice de refracción más pequeño que el núcleo más externo que le rodea de entre 25 y 100 μm de diámetro, exactamente igual que una fibra óptica usada en comunicaciones.

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El núcleo de las espículas no permite la generación de supercontinuo que se observa en los experimentos de laboratorio con estas espículas. Esta figura ilustra que al excitarlas con un láser (curva negra) por un extremo aparece luz con un espectro mucho más ancho (curvas de color) en el otro extremo. Las imágenes mediante microscopio electrónico han permitido observar que el núcleo de sílice está rodeado de una región de sílice y quitina que está microestructurada a una escala nanométrica. Esta región es la responsable de la generación de supercontinuo.

Fabricar fibras ópticas mediante estirado requiere calentar una preforma a muy alta temperatura. Sin embargo, las esponjas son capaces de producirlas a la temperatura del fondo del océano, unos 4 °C. Todavía no entendemos bien cómo las producen, pero entenderlo ayudará a diseñar nuevas técnicas de fabricación bioinspiradas de fibras ópticas a baja temperatura. Si algún día llegaran a la escala industrial podrían revolucionar las aplicaciones de la fibra óptica.



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