Logran atrapar y mover nanobjetos en 3D con nanopinzas

En el último número de la revista Nature Nanotechnology un equipo de investigadores del ICFO, en colaboración con colegas australianos, demuestran por primera vez la capacidad de utilizar las pinzas ópticas de campo cercano para atrapar un objeto de tamaño nanométrico y manipularlo en 3D en el espacio.

Romain Quidant, profesor ICREA y líder del grupo Plasmon Nano-Optics del centro catalán comenta que esta técnica “podría revolucionar el campo de la nanociencia, ya que, por primera vez, hemos demostrado que es posible atrapar, manipular en 3D y liberar un solo nanoobjeto sin ejercer ningún contacto mecánico u otra acción invasiva».

El problema es similar al de un elefante tratando de coger una aguja

Los investigadores ponen un ejemplo muy gráfico: imaginar a un elefante tratando de coger un objeto del tamaño de una aguja con su gigantesca pata, un desafío casi imposible. En el mundo nanométrico esa aguja sería una sola molécula o un pequeño objeto del tamaño de unos pocos nanómetros y se trataría de coger con herramientas convencionales para, por ejemplo, comprender su implicación en una enfermedad.

“Nosotros tenemos el mismo problema que el elefante ya que, en primer lugar, un microscopio óptico convencional no tiene la capacidad de resolución para ver una sola molécula y en segundo lugar, porque las limitaciones físicas de nuestras pinzas convencionales simplemente impiden que éstas sean capaces de coger o manipular objetos tan pequeños”, dicen los autores.

El concepto de captura óptica original, inventado en los Laboratorios Bell en la década de los años 80, demostró una gran capacidad para atrapar y manipular pequeños objetos de dimensiones micrométricas usando luz láser. Por medio de la incidencia de luz láser a través de una lente, es posible enfocar la luz en un pequeño punto, creando una fuerza de atracción debido al gradiente de la intensidad de la luz del láser y así atraer un objeto o espécimen y lograr mantenerlo en el lugar de enfoque.

Objetos de pocos cientos de nanómetros

A pesar de que las pinzas ópticas han revolucionado para siempre el campo de la óptica cuántica y la biología óptica, la técnica tiene ciertas limitaciones importantes, siendo una de  ellas su incapacidad para directamente atrapar objetos más pequeños que unos pocos cientos de nanómetros.

Este inconveniente llevó a la búsqueda de nuevos métodos para estas nano-pinzas, basadas en plasmónica, para lograr que estas fueran capaces de atrapar objetos a nanoescala, tales como proteínas o nanopartículas, evitando sobrecalentar y dañar la muestra.

Hace unos años, los investigadores del ICFO han demostrado que, al enfocar luz en una pequeña nano-estructura de oro colocada sobre una superficie de vidrio que actúa como una nano-lente, ésta era capaz de atrapar un ejemplar en la vecindad del metal donde se concentra la luz. Esta prueba de concepto se limitó a demostrar el mecanismo, pero no permitía ningún tipo de manipulación en 3D necesaria para aplicaciones prácticas.

Se puede liberar un solo nanoobjeto sin ejercer contacto mecánico

Ahora han logrado dar un paso crucial al implementar el concepto de las nanopinzas plasmónicas al extremo de una fibra óptica móvil, nanofabricada con una apertura de oro con forma de corbata de lazo. Por medio del uso de este concepto, los científicos han demostrado la captura y el desplazamiento en 3D de muestras tan pequeñas, de unas pocas decenas de nanómetros, utilizando un láser no-invasivo con una intensidad extremadamente pequeña.

El gran potencial que presenta esta técnica reside en que tanto la captura como el seguimiento de la muestra atrapada puede realizarse a través de la fibra óptica, la cual manipula al nanoobjeto de una forma muy simple y manejable, incluso en ambientes fuera del laboratorio de investigación.

Esta técnica abre un enorme abanico a nuevas direcciones en investigación que requieren de técnicas de manipulación no invasivas de objetos extremadamente pequeños, como podrían ser moléculas o virus. Es potencialmente atractivo para el campo de la medicina como una herramienta para comprender mejor los mecanismos biológicos detrás de la formación de enfermedades. Además, es una técnica prometedora para el ensamble de futuros dispositivos en miniatura.

Referencia bibliográfica:

 J. Berthelot, S. S. Acimovic, M. L. Juan, M. P. Kreuzer, J. Renger and R. Quidant, “Three-dimensional manipulation with scanning near-field optical nanotweezer”. Nature Nanotechnology, 2 de marzo de 2014.  DOI: 10.1038/NNANO.2014.24

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