Impresión óptica de nanopartículas de silicio y métodos para medir temperatura con resolución espacial en la nanoescala

Institución otorgante:

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Fecha:

2022-04-12

Tipo de documento: 

info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
 

Formato:

application/pdf

Idioma:

spa

Descripción:

Las nanopartículas (NPs) coloidales proporcionan una enorme variedad de propiedades fisicoquímicas debido a que las mismas dependen del material que están compuestas, el tamaño, la forma y la química de la superficie. Sin embargo, explotar esas propiedades en dispositivos requiere un método eficaz para colocar las NPs en posiciones específicas de un sustrato, lo que sigue siendo un reto abierto de la nanotecnología. La manipulación de las NPs coloidales por medios ópticos ofrece una interesante vía para ello. La llamada impresión óptica permite organizar las NPs, una por una, en patrones y circuitos arbitrarios. Lo consigue aplicando fuerzas ópticas a las NPs, capturandolas de una suspensión coloidal y guiandolas a posiciones predeterminadas donde se fijan con precisión nanométrica. Aunque este potente enfoque ofrece una gran versatilidad, se ha limitado principalmente a las NPs metálicas porque proporcionan una interacción suficientemente fuerte con la luz a través de su resonancia de plasmón superficial localizada. El inconveniente es que las NPs metálicas sufren un aumento significativo de la temperatura cuando son iluminadas. En este contexto, la tesis se centró en dos proyectos principales. El primer proyecto trata la impresión óptica de nanopartículas de silicio (Si). Las NPs de Si poseen propiedades ópticas únicas que dependen de su tamaño, debido a sus fuertes resonancias eléctricas y magnéticas en el rango visible. Poseen una fuerte interacción con la luz con una absorción (y por tanto un calentamiento) relativamente menor, en comparación con las NPs metálicas. Sin embargo, su aplicación generalizada ha sido limitada, en comparación con otras NPs (por ejemplo, las metálicas), porque su preparación en coloides monodispersos sigue siendo un reto. La explotación de las propiedades únicas de las NPs de Si en nano y micro dispositivos requiere métodos capaces de clasificarlas y organizarlas desde una suspensión coloidal en posiciones específicas de sustratos sólidos. Como parte de esta tesis, se ha llevado a cabo un estudio teórico y experimental de la impresión óptica de NPs de Si coloidales. Se analizan cuidadosamente la precisión, la selectividad y las posibles aplicaciones de esta técnica. El hallazgo más importante es que las NPs de Si pueden imprimirse selectivamente en función de su tamaño empleando diferentes longitudes de onda debido a sus resonancias magnéticas dipolares únicas dependientes del tamaño. El segundo proyecto tuvo como objetivo obtener un método para determinar mapas de temperatura con resolución nanométrica. Aunque la obtención de estos mapas de temperatura es de gran relevancia para diversos campos de la ciencia y la tecnología, hasta ahora no existe ningún método establecido para ello. Tras analizar diferentes posibilidades, decidimos investigar dos estrategias basadas en la tecnología del origami de ADN y en el uso de NPs de oro como sistema modelo. Con el origami de ADN, es posible colocar moléculas fluorescentes en posiciones nanométricas predefinidas cerca de una NP. Hemos diseñado dos métodos en los que las moléculas fluorescentes actúan como reporteros locales de temperatura de dos maneras. Ambos métodos combinan la localización de una sola molécula por superresolución con una señal de fluorescencia sensible a la temperatura. El primer método se basa en la microscopía de superresolución DNA-PAINT (por sus siglas en inglés, DNA-based Point Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography). En este caso, se localizan moléculas fluorescentes individuales conjugadas con hebras cortas de ADN a medida que se unen transitoriamente al origami de ADN. La información sobre la temperatura se obtiene a partir del “parpadeo” de la señal de fluorescencia en función de la temperatura, que se observa a medida que las hebras cortas de ADN se unen y se separan dinámicamente. La segunda se basa en un nuevo método de localización de moléculas individuales en un microscopio confocal con resolución temporal. Aquí, la información sobre la temperatura se obtiene a partir de las variaciones del tiempo de vida de la fluorescencia de las moléculas individuales. En el capítulo 1 de esta tesis se discuten las propiedades ópticas de las NPs metálicas y dieléctricas y se comparan en términos de absorción y disipación de calor. Se motiva la necesidad de métodos de manipulación de NPs individuales y de mediciones de temperatura en la nanoescala. Se resume el estado del arte en estos campos. En el capítulo 2 se presenta la impresión óptica de NPs de Sí por selectividad de tamaño. Se describen en detalle los fundamentos y el montaje experimental utilizado para llevar a cabo este método. Se presentan los cálculos teóricos y los trabajos previos que motivan la impresión selectiva de NPs dieléctricas y, finalmente, se demuestra la impresión óptica de NPs de Sí según su tamaño a través de su resonancia magnética dipolar utilizando diferentes longitudes de onda. En el capítulo 3, se investiga un método para obtener mapas de temperatura a nanoescala basado en cambios de la cinética de unión-desunión de ADN en ADN-PAINT. Se encontró que este tipo de mediciones involucra otros fenómenos dependientes de la temperatura. En concreto, el cambio en la tasa de parpadeo de los eventos de ADN-PAINT, el movimiento de las NPs en origamis hıbridos y el aumento en la señal de fondo bajo la iluminación con láseres de 488 nm y 561 nm deben ser controlados antes de poder acceder a mediciones de temperatura confiables. En el capítulo 4, demostramos que al sintonizar la cinética de parpadeo de las moléculas individuales con la velocidad de barrido de la imagen, es posible realizar microscopía de localización de moléculas individuales en un microscopio confocal. Utilizando un microscopio confocal con resolución temporal es posible obtener imágenes de tiempo de vida (FLIM, por sus siglas en inglés Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy) de fluorescencia súper-resueltas. Las imágenes de FLIM super resueltas tiene numerosas aplicaciones potenciales, entre las cuales se encuentran las mediciones de temperatura con resolución nanométrica, ya que el tiempo de vida de numerosos fluoróforos es sensible a la temperatura. En particular, analizamos la aplicación de este nuevo método para la obtención de imágenes superresueltas de transferencia de energía por resonancia de Forster (FRET). Finalmente, en el capítulo 5, se resumen las conclusiones del trabajo y se despliegan las perspectivas futuras.

Identificador:

https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7172_Zaza