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La investigación doctoral Ondas superficiales de Bloch en fibras de cristal fotónico, de Esteban González Valencia, tiene aplicaciones diversas que pueden proyectarse incluso a la detección de biomoléculas. El estudio obtuvo la distinción de laureado. 

  • Fibra óptica de vidrio en forma de D con la estructura periódica. Foto: cortesía Esteban González Valencia.

    Fibra óptica de vidrio en forma de D con la estructura periódica. Foto: cortesía Esteban González Valencia.

  • Esteban es estudiante del Doctorado en Física de la Facultad de Ciencias. Foto: cortesía Esteban González Valencia.

    Esteban es estudiante del Doctorado en Física de la Facultad de Ciencias. Foto: cortesía Esteban González Valencia.

    Las ondas superficiales se pueden explicar con un sencillo ejemplo: al tirar una piedra a un lago en la superficie del agua se forman “unas pequeñas olas”, estas son ondas que se mueven sobre la superficie del agua y por tanto se llaman ondas superficiales.

    Existe un equivalente a esas ondas que viajan en la superficie del agua para las que componen la luz y se llaman ondas electromagnéticas superficiales, explica Esteban González Valencia, ingeniero físico, estudiante de Doctorado en Física de la UNAL Medellín y actual docente ocasional de la Escuela de Física de la Facultad de Ciencias de la Sede.

    Son conocidos varios tipos de estas ondas superficiales y una de ellas son las ondas de Bloch, llamadas así porque su superficie de propagación está entre un medio homogéneo —como el aire— y otro periódico —que puede tener varias capas, por ejemplo, de vidrio o silicio—. Específicamente fueron estas las ondas que investigó González Valencia en su tesis.

    Las ondas de Bloch han sido muy estudiadas desde la rama de la óptica a escala macroscópica (óptica en volumen), en la que se trabaja, por ejemplo, con prisma o lentes. Sin embargo, actualmente las investigaciones de estas ondas en fibras ópticas —que se pueden comparar con un hilo de vidrio del grosor de un cabello— han sido escasas. González Valencia es uno de esos pocos investigadores que se han dedicado a hacer un análisis de las ondas de Bloch usando fibras ópticas.

    Lo novedoso de su estudio fue que logró adaptar los conocimientos adquiridos de las ondas de Bloch en el campo de la óptica en volumen a las dimensiones de una fibra óptica, teniendo en cuenta los limitantes que impone trabajar con elementos tan pequeños.

    La idea de la tesis, cuenta el investigador, fue sentar una base para demostrar que las fibras ópticas se pueden utilizar para hacer mediciones mediante sensores a partir de las ondas de Bloch. Para lograrlo estudió tanto fibras ópticas convencionales como fibras de cristal fotónico, las cuáles “se caracterizan por tener agujeros en su interior, que modifican las propiedades de propagación de la luz y expanden sus posibilidades”, explica González Valencia, quien busca que el desarrollo tenga aplicaciones como sensor de sustancias biológicas.

    Para alcanzar este propósito, parte del proceso previo incluye trabajar con fibras pulidas lateralmente (llamadas fibras en forma de D), y depositar el medio periódico sobre la zona modificada. Así lo realizó el doctorando, quien diseñó y depositó la estructura periódica sobre la parte plana de la fibra de vidrio.

    Con potencial para identificar biomoléculas

    La estructura que desarrolló González Valencia puede tener distintas aplicaciones y una de ellas es la detección biomoléculas. El investigador cuenta que “la idea es poder detectar virus, bacterias, o incluso células cancerosas. Estas últimas, tienen un porcentaje de agua más alto que las células sanas; eso cambia su índice de refracción y gracias a eso podemos detectarlas”.  

    Es el propósito a futuro, sin embargo, el trabajo tiene un alto componente de simulaciones y experimentos, por lo que los alcances de la tesis no llegan —como tal— al desarrollo de un producto, sino que se enfocó en el estudio teórico.

    Entre las bondades de las fibras ópticas, está el hecho de que el material tiene poca o nula interacción con los medios biológicos: “Es una ventaja, porque si tengo un sensor basado (por ejemplo) en cobre dentro de una solución de agua, este se empieza a oxidar y puede afectar las mediciones. Eso no pasa con las fibras ópticas, porque simplemente detectan los cambios, sin reaccionar al agua”, asegura.

    Nuevo conocimiento

    De la investigación que realizó González Valencia derivó un artículo que publicó en una revista científica Optics Express, lo que le generó la oportunidad de realizar una pasantía en la Universidad Pública de Navarra, en España, donde profundizó su conocimiento en herramientas de simulaciones, además de depositar películas delgadas en las fibras ópticas en forma de D para formar el llamado medio periódico para estudiar las ondas de Bloch.

    Gonzalez Valencia cuenta que las simulaciones que realizó fueron verificadas con los resultados obtenidos en el laboratorio, y que pudo constatar que los espectros de transmisión esperados y obtenidos eran iguales. 

    Parte de los conocimientos que González Valencia ha generado en su tesis han quedado consignados en artículos científicos, como los que ha publicado en la revista Optics Express —antes mencionada— y Optics Letters, o el que actualmente está sometido a la revista Scientific Reports. 

    La investigación fue laureada, lo que es muestra de la calidad de la educación en los programas académicos de la Escuela de Física, según el profesor Román Castañeda, director del área curricular de Física de la Facultad de Ciencias de la Sede.

    A futuro, el doctorando desea mejorar las estructuras que desarrolló, llevar a cabo su verificación experimental (para lo cuál ha establecido contactos en España, Polonia e Italia), además de garantizar que su implementación sea rentable en su relación costo – beneficio. 

    (FIN/KGG)

    14 de enero del 2021