Cientistas criam uma super lente capaz de ver até os menores vírus

Em um estudo conduzido pelo professor associado de engenharia mecânica Joshua Caldwell e colaboradores, na Universidade de Vanderbilt, e publicado esta semana na Nature, foi reportado a construção de instrumentos capazes de produzirem uma super lente de aumento com resolução suficiente para permitir a visualização de características do tamanho de pequenos vírus na superfície de células vivas.

Esse significativo avanço foi possível graças ao desenvolvimento de materiais ópticos usados em super lentes de aumento com uma qualidade várias vezes superior àquela vista hoje. Como resultado, as novas super lentes podem ver detalhes de corpos dezenas de vezes menores do que o comprimento da luz visível!

O material óptico otimizado é um cristal hexagonal de nitreto de boro (hNB), o qual possui propriedades de super lente. Anteriormente, a melhor resolução reportada usando o hBN foi de um objeto cerca de 36 vezes menor do que a luz no espectro infravermelho usada para visualizá-lo, algo em torno do tamanho da menor bactéria hoje conhecida. Agora, a otimização gerou um potencial de resolução 10 vezes maior!

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Os pesquisadores alcançaram essa grande melhora ao usar boro isotopicamente puro para produzir os os cristais de hBN. Isótopos são átomos com um mesmo número de prótons (e consequentemente mesmo número de elétrons e pertencentes ao mesmo elemento químico) mas com diferentes números de massa, ou seja, diferentes números de nêutrons no núcleo. O boro natural - aquele presente em minerais no solo - contêm dois isótopos que diferem em massa por um percentual de 10%. Essa mistura, porém, reduz as propriedades ópticas do hNB no infravermelho. Utilizando apenas um tipo de isótopo, os cristais de hNB têm suas propriedades ópticas melhoradas enormemente.

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As lentes feitas com o crista 'purificado' podem em princípio - de acordo com os cálculos dos pesquisadores - capturar imagens de objetos tão pequenos quanto 30 nanômetros de dimensão. Para se ter uma boa ideia de como isso é pequeno, um comprimento de 2,5 centímetros possui 25 milhões de nanômetros e um fio de cabelo humano geralmente possui entre 80 mil e 100 mil nanômetros de espessura. Uma célula vermelha (hemácia) humana possui cerca de 9 mil nanômetros e um vírus tipicamente possui de 20 a 400 nanômetros.

Usando esses novos cristais com 99% de pureza isotópica, houve uma dramática redução nas perdas ópticas comparadas com cristais 'naturais', aumentando o tempo de meia vida dos polaritons cerca de 3 vezes, o que permite que eles viagem o triplo do limite anterior de distância. E, teoricamente, existe lugar para uma otimização de mais 10 vezes na resolução dessas lentes ao se trabalhar com cristais puros de hBN maiores (por enquanto os pesquisadores estão aplicando experimentos em amostras muito pequenas do novo material).

Até o momento, existiam instrumentos capazes de dar detalhes ultra nanométricas com alta fidelidade mas através de técnicas de observação indireta, como os microscópios de varredura eletrônica, os quais usam a propriedade de tunelamento de elétrons para estudar superfícies em detalhes quase atômicos. Porém, para a utilização de técnicas do tipo, ambientes especiais precisam ser preparados (levando danos às estruturas vivas) e se torna impossível visualizar em tempo real e com vasto detalhe de ação coisas em escalas extremamente pequenas, como os vírus. Por outro lado, super lentes utilizam luz de baixa energia que não causam danos aos seres estudados, como o infravermelho e o observador vê tudo em tempo real e de forma direta.

Com esse novo avanço, pesquisadores podem agora observar diretamente processos celulares em ação antes impossíveis de serem visualizados, como a invasão detalhada de vírus em células ou células imunes atacando agentes invasores.


Publicação do estudo: Nature

Referências adicionais:
1. http://web.sahra.arizona.edu/programs/isotopes/boron.html
2. https://news.vanderbilt.edu/research/