Al igual que los Jedis en Star Wars usan la Fuerza para controlar objetos a distancia, los científicos pueden utilizar la luz o la fuerza óptica para mover partículas muy pequeñas. Los inventores de esta innovadora tecnología láser, conocido como "pinzas ópticas, "fueron galardonados con el Premio Nobel de Física 2018.

Las pinzas ópticas se utilizan en biología, medicina y ciencia de materiales para ensamblar y manipular nanopartículas como átomos de oro. Sin embargo, la tecnología se basa en una diferencia en las propiedades refractivas de la partícula atrapada y el entorno circundante.

Ahora los científicos han descubierto una nueva técnica que les permite manipular partículas que tienen las mismas propiedades refractivas que el entorno de fondo. superando un desafío técnico fundamental.

El estudio, "Pinzas ópticas más allá del desajuste del índice de refracción utilizando nanopartículas de conversión ascendente altamente dopadas, "acaba de ser publicado en Nanotecnología de la naturaleza .

"Este avance tiene un enorme potencial, particularmente en campos como la medicina, "dice el coautor principal, el Dr. Fan Wang de la Universidad de Tecnología de Sydney (UTS).

"La capacidad de empujar, tirar y medir las fuerzas de los objetos microscópicos dentro de las células, como hebras de ADN o enzimas intracelulares, podría conducir a avances en la comprensión y el tratamiento de muchas enfermedades diferentes, como la diabetes o el cáncer.

"Las micro-sondas mecánicas tradicionales que se utilizan para manipular células son invasivas, y la resolución de posicionamiento es baja. Solo pueden medir cosas como la rigidez de una membrana celular, no la fuerza de las proteínas motoras moleculares dentro de una célula, " él dice.

El equipo de investigación desarrolló un método único para controlar las propiedades refractivas y la luminiscencia de las nanopartículas al dopar nanocristales con iones de metales de tierras raras.

Habiendo superado este primer desafío fundamental, Luego, el equipo optimizó la concentración de iones de dopaje para lograr la captura de nanopartículas a un nivel de energía mucho más bajo, y 30 veces más eficiencia.

"Tradicionalmente, se necesitan cientos de milivatios de potencia láser para atrapar una partícula de oro de 20 nanómetros. Con nuestra nueva tecnología, podemos atrapar una partícula de 20 nanómetros usando decenas de milivatios de potencia, "dice Xuchen Shan, primer coautor y Ph.D. de UTS candidato en la Escuela de Ingeniería Eléctrica y de Datos de la UTS.

"Nuestras pinzas ópticas también alcanzaron un grado récord de sensibilidad o 'rigidez' para las nanopartículas en una solución de agua. Sorprendentemente, el calor generado por este método era insignificante en comparación con los métodos más antiguos, por lo que nuestras pinzas ópticas ofrecen una serie de ventajas, " él dice.

Compañero y coautor principal, el Dr. Peter Reece, de la Universidad de Nueva Gales del Sur, dice que esta investigación de prueba de concepto es un avance significativo en un campo que se está volviendo cada vez más sofisticado para los investigadores biológicos.

“La perspectiva de desarrollar una sonda de fuerza a nanoescala de alta eficiencia es muy emocionante. La esperanza es que la sonda de fuerza pueda etiquetarse para apuntar a estructuras intracelulares y orgánulos, permitiendo la manipulación óptica de estas estructuras intracelulares, " él dice.

Distinguido profesor Dayong Jin, Director del Instituto de Materiales y Dispositivos Biomédicos de UTS (IBMD) y uno de los principales coautores, dice que este trabajo abre nuevas oportunidades para la obtención de imágenes funcionales de superresolución de la biomecánica intracelular.

"La investigación de IBMD se centra en la traducción de los avances en fotónica y tecnología de materiales en aplicaciones biomédicas, y este tipo de desarrollo tecnológico está bien alineado con esta visión, "dice el profesor Jin.

"Una vez que hayamos respondido las preguntas científicas fundamentales y descubierto nuevos mecanismos de fotónica y ciencia de materiales, luego pasamos a aplicarlos. Este nuevo avance nos permitirá utilizar formas menos invasivas y de menor potencia para atrapar objetos nanoscópicos, como células vivas y compartimentos intracelulares, para manipulación de alta precisión y medición biomecánica a nanoescala ".