La experimentación es una parte fundamental del método científico. Sin embargo, hay investigaciones en las que el número de pruebas crece de forma exponencial, lo que vuelve el proceso lento, costoso y, en algunos casos, aparentemente imposible. “Nos llevaría cientos de miles de años en probar todas las posibilidades”, explica Riemann Ruiz Cruz, coordinador de la Licenciatura en Ingeniería y Ciencia de Datos.
Desde finales de 2019, Ruiz Cruz colabora con Edgar Briones, profesor titular y responsable del Laboratorio de Películas Delgadas, en el Departamento de Matemáticas y Física (DMAF) del ITESO, en la investigación “Optimización de Metamateriales” enfocada en mejorar la detección de propiedades biológicas y químicas de diversas sustancias. Un avance que podría contribuir al desarrollo de sensores capaces de identificar enfermedades como la diabetes o el cáncer de mama de forma no invasiva.
Esta línea de investigación se apoya en técnicas como el efecto Raman, en el que los investigadores observan como la luz de un láser ultravioleta es reflejada por la muestra que se analiza. Esa “firma” luminosa permite reconocer de qué sustancia se trata y cuáles son sus propiedades.
El desafío aparece cuando se trabaja con materiales de escala nanométrica. A ese nivel, las muestras reflejan una cantidad mínima de luz, lo que obliga a utilizar láseres cada vez más potentes y equipamiento más especializado.
“En estructuras a nanoescala, el tamaño es tan pequeño que ya no puede observarse con el ojo humano, pues es menor que la longitud de onda de la luz visible.”, explica Ruiz Cruz.
Sin embargo, desde mediados del siglo pasado se descubrió que al apuntar un láser sobre ciertas superficies metálicas se generan campos electromagnéticos que pueden concentrarse en zonas específicas dependiendo de su geometría y relieve. Estas pueden “maximizar el efecto Raman”, resume Ruiz Cruz y se les conoce como superficies plasmónicas.
Colocar las muestras sobre este tipo de materiales amplifica la señal reflejada, lo que permite realizar mediciones sin necesidad de láseres extremadamente potentes. En el ITESO existen laboratorios donde se pueden diseñar y fabricar estas superficies plasmónicas. No obstante, esta solución trajo consigo un nuevo reto: determinar cuál es la geometría óptima para lograr el efecto deseado.
Las mallas que analiza el equipo están compuestas de 25 por 25 cubos, cada uno de 20 nanómetros. “Un nanómetro […] es como si agarraras un milímetro y lo partieras en un millón de pedazos”, explica Ruiz Cruz. Cada cubo puede estar hecho de oro o de aire, lo que genera una cantidad prácticamente infinita de configuraciones posibles. Probar todas no es viable. Fabricar una sola estructura puede tomar entre tres y cuatro días, mientras que una simulación requiere alrededor de cinco minutos. Ruiz se refería esta situación cuando hablaba de una tarea que podría extenderse por cientos de milenios.
Tras analizar el problema, Ruiz propuso a Briones utilizar algoritmos evolutivos (también conocidos como heurísticos) para explorar de forma eficiente ese vasto espacio de posibilidades. “Se les conoce así porque muchos de esos […] están bioinspirados, tratan de replicar la forma en cómo las especies evolucionan, pero lo enfocan en […] resolver un problema”, explica.
No ofrecen una respuesta directa, pero permiten realizar una “búsqueda aleatoria dirigida”, comparable a jugar “frío o caliente”. A partir de múltiples soluciones iniciales (llamadas pobladores), el sistema conserva aquellas que muestran mejores resultados y descarta las menos exitosas. “En teoría, una generación siguiente debe ser mejor a la anterior”, señala.
El algoritmo fue implementado a través de la plataforma MATLAB y vinculado a un software de simulación física llamado COMSOL Multiphysics. Mientras el primero genera nuevas propuestas para el diseño de la superficie plasmónica, el segundo evalúa cada una mediante una ecuación desarrollada por el DMAF, que calcula el campo eléctrico en el centro de la estructura. “Dejamos una computadora funcionando por dos semanas”, tiempo en el que ambos programas se comunicaron de forma continua y probaron más de 11 mil estructuras.
Actualmente, el equipo enfrenta nuevos retos en la etapa experimental, como la fabricación de estructuras cuya geometría se aproxime lo más posible a la diseñada en computadora. Aunque los modelos se diseñaron a partir de cubos perfectos, reproducir esa precisión a escala nanométrica en el laboratorio resulta extremadamente complejo.
Ruiz Cruz menciona que los resultados de esta investigación podrían aportar a proyectos como “Desarrollo de un sensor nanotecnológico para la detección oportuna del cáncer de mama en población mexicana”, por medio de saliva y biomarcadores, así como al “Estudio y Fabricación de biosensores nanoestructurados no invasivos para el monitoreo periódico de glucosa para la detección oportuna de diabetes mellitus”, financiado por el Fondo de Apoyo a la Investigación (FAI).
También al «Desarrollo de un sensor nanotecnológico para la detección oportuna del cáncer de mama en población mexicana» por medio de sangre, una iniciativa impulsada por universidades de la Red SUJ, liderado por la Ibero México, en colaboración de ITESO e Ibero León.
Aunque el punto de partida fue desde un enfoque médico, esta investigación abre la puerta a mejoras en sensores ópticos más sensibles, como los empleados en cámaras fotográficas. Incluso podrían contribuir a optimizar el rendimiento de paneles solares, ya que la nanoestructuración de superficies permitiría reducir la reflexión de la luz y aumentar su eficiencia energética, el cual es una de las líneas de investigación del DMAF.
FOTO: Zyan André
