(Phys.org) —Una técnica a microescala conocida como atrapamiento óptico utiliza rayos de luz como pinzas para sujetar y manipular partículas diminutas. Los investigadores de Stanford han encontrado una nueva forma de atrapar partículas de menos de 10 nanómetros, y potencialmente de unos pocos átomos de tamaño, que hasta ahora han escapado del alcance de la luz.

Para agarrar y mover objetos microscópicos, como las bacterias y los componentes de las células vivas, los científicos pueden aprovechar el poder de la luz concentrada para manipularlos sin siquiera tocarlos físicamente.

Ahora, el estudiante de doctorado Amr Saleh y la profesora asistente Jennifer Dionne, investigadores de la Escuela de Ingeniería de Stanford, han diseñado una innovadora apertura de luz que les permite atrapar ópticamente objetos más pequeños que nunca, potencialmente de solo unos pocos átomos de tamaño.

El proceso de captura óptica - o pinzas ópticas, como se conoce a menudo, implica esculpir un rayo de luz en un punto estrecho que produce un fuerte campo electromagnético. El rayo atrae objetos diminutos y los atrapa en su lugar, como un par de pinzas.

Desafortunadamente, hay límites naturales para la técnica. El proceso se descompone para objetos significativamente más pequeños que la longitud de onda de la luz. Por lo tanto, las pinzas ópticas no pueden agarrar objetos súper pequeños como proteínas individuales, que tienen solo un par de nanómetros de diámetro.

Saleh y Dionne han demostrado teóricamente que la luz que pasa a través de su nueva apertura atraparía de manera estable objetos tan pequeños como 2 nanómetros. El diseño fue publicado en la revista Nano letras , y Saleh ahora está construyendo un prototipo funcional del dispositivo microscópico.

Agonías de escala

Como científico de materiales, Jennifer Dionne imaginó una herramienta óptica que la ayudaría a mover con precisión bloques de construcción moleculares en nuevas configuraciones. "Las pinzas ópticas parecían una forma genial de ensamblar nuevos materiales, ", dijo. Dionne es la autora principal del artículo.

Desafortunadamente, Las pinzas ópticas existentes no son expertas en manejar estos pequeños bloques de construcción. "Se sabe desde hace varias décadas que atrapar objetos de tamaño nanométrico con luz sería un desafío, "dijo Dionne.

El problema es inherente al propio haz de luz. La captura óptica generalmente usa luz en el espectro visible (con longitudes de onda entre 400 y 700 nanómetros) para que los científicos puedan ver la muestra mientras la manipulan.

Debido a una restricción física llamada límite de difracción de la luz, el espacio más pequeño en el que las pinzas ópticas pueden atrapar una partícula es aproximadamente la mitad de la longitud de onda del haz de luz. En el espectro visible, esto sería de unos 200 nanómetros, la mitad de la longitud de onda visible más corta de 400 nanómetros.

Por lo tanto, si la muestra en cuestión tiene solo 2 nanómetros de ancho, el tamaño de una proteína típica, atraparla en un espacio de 200 nanómetros solo permite un control muy flexible en el mejor de los casos. En cuanto a escala, es como guiar a un pececillo con una red de pesca de 20 metros de ancho.

Adicionalmente, la fuerza óptica que la luz puede ejercer sobre un objeto disminuye a medida que los objetos se hacen más pequeños. "Si quieres atrapar algo muy pequeño, necesitas una enorme cantidad de energía, que quemará tu espécimen antes de que puedas atraparlo, "Dijo Saleh.

Algunos investigadores resuelven este problema uniendo la muestra a un objeto mucho más grande que se puede arrastrar con luz. Dionne señaló, sin embargo, que moléculas importantes como la insulina o la glucosa pueden comportarse de manera muy diferente cuando se unen a anclajes gigantes de lo que lo harían por sí mismas. Para aislar y mover un objeto minúsculo sin freírlo, los investigadores necesitaban una forma de sortear las limitaciones de la trampa óptica convencional.

La promesa de los plasmónicos

Dionne dice que el método más prometedor de mover partículas diminutas con luz se basa en plasmónicos, una tecnología que aprovecha las propiedades ópticas y electrónicas de los metales. Un conductor fuerte como la plata o el oro retiene sus electrones débilmente, dándoles libertad para moverse cerca de la superficie del metal.

Cuando las ondas de luz interactúan con estos electrones móviles, se mueven en lo que Dionne describe como "un muy bien definido, danza intrincada, "dispersando y esculpiendo la luz en ondas electromagnéticas llamadas plasmones-polaritones. Estas oscilaciones tienen una longitud de onda muy corta en comparación con la luz visible, permitiéndoles atrapar pequeños especímenes con más fuerza.

Dionne y Saleh aplicaron principios plasmónicos para diseñar una nueva apertura que enfoca la luz de manera más efectiva. La apertura está estructurada de manera muy parecida a los cables coaxiales que transmiten señales de televisión, Saleh dijo. Un tubo de plata a nanoescala está recubierto con una fina capa de dióxido de silicio, y esas dos capas están envueltas en una segunda capa exterior de plata. Cuando la luz brilla a través del anillo de dióxido de silicio, crea plasmones en la interfaz donde se encuentran la plata y el dióxido de silicio. Los plasmones viajan a lo largo de la apertura y emergen en el otro extremo como un poderoso haz de luz concentrado.

El dispositivo de Stanford no es la primera trampa plasmónica, pero promete atrapar los especímenes más pequeños registrados hasta la fecha. Saleh y Dionne han demostrado teóricamente que su diseño puede atrapar partículas tan pequeñas como 2 nanómetros. Con más mejoras, su diseño podría incluso utilizarse para atrapar ópticamente moléculas aún más pequeñas.

Una multiherramienta óptica

A medida que avanzan las herramientas a nanoescala, esta nueva trampa óptica sería un dispositivo bastante versátil. Si bien los investigadores lo imaginaron por primera vez en el contexto de la ciencia de los materiales, sus aplicaciones potenciales abarcan muchos otros campos, incluida la biología, farmacología, y genómica.

Dionne dijo que primero le gustaría atrapar una sola proteína, e intenta desenredar su estructura retorcida utilizando solo la luz visible. Dionne señala que el haz de luz también podría usarse para ejercer una fuerte fuerza de tracción sobre las células madre, que se ha demostrado que cambia la forma en que estos importantes bloques de construcción se diferencian en varios tipos de células. Saleh, por otra parte, está particularmente emocionado por mover y apilar partículas diminutas para explorar sus fuerzas atractivas y crear nuevas, materiales y dispositivos "de abajo hacia arriba".

Todo esto está en el camino sin embargo. Mientras tanto, Saleh está trabajando para convertir el diseño en realidad. Espera tener un prototipo a principios de 2013.