L’ICFO inventa les nano-pinces òptiques / UPC

Els investigadors de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), institut universitari de recerca adscrit a la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC), han inventat unes nano-pinces òptiques capaces d’atrapar i moure un nano-objecte en tres dimensions utilitzant només la força de la llum.

 A mesura que la ciència i la tecnologia es fan cada vegada més nano, els científics busquen noves eines per manipular, observar i modificar els “blocs constituents” de la matèria a escala nanomètrica. Tenint això en compte, la recent publicació a la revista Nature Nanotechnology, en la què investigadors de l’ICFO demostren per primera vegada la capacitat d’utilitzar pinces òptiques de camp proper per atrapar un objecte de mida nanomètrica i manipular-lo en les tres dimensions de l’espai, és una fita de gran importància. Romain Quidant, professor ICREA i cap del grup de recerca de Nano-Òptica de Plasmons a l’ICFO, explica que “aquesta tècnica podria revolucionar el camp de la nanociència, ja que, per primera vegada, hem demostrat que és possible atrapar, manipular en 3D i alliberar un sol nano-objecte sense exercir cap contacte mecànic o cap altra acció invasiva”.

 Podem imaginar un elefant mirant d’agafar un objecte de la mida d’una agulla amb una de les seves potes gegants? Evidentment seria un enorme repte, per no dir impossible, atès l’enorme mida de l’elefant en comparació amb el de l’agulla. Ara imaginem que la nostra agulla és una sola molècula o un petit objecte de la mida d’uns pocs nanòmetres i nosaltres, amb els nostres instruments convencionals, necessitem atrapar i manipular l’objecte per tal de, per exemple, estudiar i comprendre la seva implicació en el desenvolupament d’una malaltia. Ara bé, nosaltres tenim el mateix problema que l’elefant ja que, en primer lloc, un microscopi òptic convencional no té la capacitat de resolució per veure una sola molècula i en segon lloc, perquè les limitacions físiques de les nostres pinces convencionals simplement impedeixen que aquestes siguin capaces d’agafar o manipular objectes tan petits.

 El concepte de captura òptica, inventat als Laboratoris Bell durant la dècada dels anys 80, va demostrar ser una eina de gran capacitat per atrapar i manipular petits objectes de dimensions micromètriques emprant llum làser. Per mitjà de la incidència de llum làser a través d’una lent, és possible enfocar la llum en un petit punt, creant una força d’atracció a causa del gradient de la intensitat de la llum del làser i així atreure l’objecte o espècimen i aconseguir mantenir-lo en el lloc d’enfocament.

 Tot i que les pinces òptiques han revolucionat per sempre el camp de l’òptica quàntica com el de la biologia òptica, la tècnica té certes limitacions importants, sent una d’elles la seva incapacitat per directament atrapar objectes més petits que d’uns pocs centenars de nanòmetres. Per tant, aquest inconvenient va portar a la recerca de nous mètodes en l’àmbit de les nano-pinces, basades en plasmons, capaços d’atrapar objectes a nano-escala, com ara proteïnes o nano-partícules, evitant, al mateix temps, sobreescalfar i malmetre la mostra. Fa uns anys, els investigadors de l’ICFO van demostrar que, en enfocar la llum sobre una petita nano-estructura d’or col•locada sobre una superfície de vidre, tot actuant com una nano-lent, aquesta era capaç d’atrapar un exemplar al voltant del metall on es concentrava la llum. Aquesta prova de concepte es va limitar a demostrar el mecanisme, però no permetia cap tipus de manipulació en 3D necessària per a aplicacions pràctiques.

 Recentment, els investigadors de l’ICFO han aconseguit donar un pas crucial en implementar el concepte de les nano-pinces plasmòniques a l’extrem d’una fibra òptica mòbil, nano-fabricada amb una obertura d’or amb forma de corbata de llaç. Per mitjà de l’ús d’aquest concepte, els científics han demostrat la captura i el desplaçament 3D de mostres molt petites, d’unes poques desenes de nanòmetres, utilitzant un làser no-invasiu amb una intensitat extremadament petita. El gran potencial que presenta aquesta tècnica és que tant la captura com el seguiment de la mostra atrapada pot fer-se a través de la fibra òptica, la qual manipula el nano-objecte d’una forma molt simple i manejable, fins i tot en ambients fora del laboratori de recerca.

 Aquesta tècnica obre un enorme ventall a noves direccions en recerca que requereixen de tècniques de manipulació no-invasives d’objectes extremadament petits, com podrien ser molècules o virus. És potencialment atractiu per al camp de la medicina com una eina per comprendre millor els mecanismes biològics darrere de la formació de malalties. Així mateix, mostra ser una tècnica prometedora en el context de les nanotecnologies per a la construcció de futurs dispositius en miniatura, entre d’altres aplicacions interessants i de gran potencial.

 Aquesta recerca ha estat possible gràcies al suport i finançament del Consell Europeu de Recerca a través de la subvenció Plasmolight, no. 259.196 i la Fundació Privada Cellex.♦
Reference: J. Berthelot, S. S. Acimovic, M. L. Juan, M. P. Kreuzer, J. Renger and R. Quidant, Three-dimensional manipulation with scanning near-field optical nanotweezers, DOI: 10.1038/NNANO.2014.24