• Home
  • Chimica
  • Astronomia
  • Energia
  • Natura
  • Biologia
  • Fisica
  • Elettronica
  • Le nuove pinzette ottiche intrappolano i campioni a pochi nanometri di diametro

    Questa illustrazione mostra il nuovo design dell'apertura (a sinistra) con due strati di argento separati da un altro di biossido di silicio. La struttura focalizza la luce in un modo nuovo per intrappolare le particelle più piccole che mai. I raggi focalizzati sono mostrati nell'illustrazione a destra. Credito:Amr Saleh

    (Phys.org)—Una tecnica su microscala nota come intrappolamento ottico utilizza fasci di luce come pinzette per trattenere e manipolare minuscole particelle. I ricercatori di Stanford hanno trovato un nuovo modo per intrappolare le particelle più piccole di 10 nanometri - e potenzialmente fino a pochi atomi di dimensione - che fino ad ora sono sfuggite alla presa della luce.

    Per afferrare e spostare oggetti microscopici, come i batteri e i componenti delle cellule viventi, gli scienziati possono sfruttare il potere della luce concentrata per manipolarli senza mai toccarli fisicamente.

    Ora, dottorando Amr Saleh e assistente professoressa Jennifer Dionne, ricercatori della Stanford School of Engineering, hanno progettato un'innovativa apertura di luce che consente loro di intrappolare otticamente oggetti più piccoli che mai, potenzialmente solo pochi atomi di dimensioni.

    Il processo di intrappolamento ottico - o pinzetta ottica, come è spesso noto, comporta la scultura di un raggio di luce in un punto stretto che produce un forte campo elettromagnetico. Il raggio attira piccoli oggetti e li intrappola in posizione, proprio come un paio di pinzette.

    Sfortunatamente, ci sono limiti naturali alla tecnica. Il processo si interrompe per oggetti significativamente più piccoli della lunghezza d'onda della luce. Perciò, le pinzette ottiche non possono afferrare oggetti super piccoli come singole proteine, che sono solo un paio di nanometri di diametro.

    Saleh e Dionne hanno dimostrato teoricamente che la luce passata attraverso la loro nuova apertura intrappola stabilmente oggetti piccoli come 2 nanometri. Il design è stato pubblicato sulla rivista Nano lettere , e Saleh sta ora costruendo un prototipo funzionante del dispositivo microscopico.

    agonie di scala

    Come scienziato dei materiali, Jennifer Dionne ha immaginato uno strumento ottico che l'avrebbe aiutata a spostare con precisione gli elementi costitutivi molecolari in nuove configurazioni. "Le pinzette ottiche sembravano un modo davvero fantastico per assemblare nuovi materiali, " ha detto. Dionne è l'autore senior del giornale.

    Sfortunatamente, le pinzette ottiche esistenti non sono abili nel maneggiare questi minuscoli blocchi. "È noto da diversi decenni che intrappolare oggetti di dimensioni nanometriche con la luce sarebbe stato difficile, " disse Dionne.

    Il problema è inerente al raggio di luce stesso. L'intrappolamento ottico utilizza tipicamente la luce nello spettro visibile (con lunghezze d'onda comprese tra 400 e 700 nanometri) in modo che lo scienziato possa effettivamente vedere il campione mentre lo manipola.

    A causa di un vincolo fisico chiamato limite di diffrazione della luce, lo spazio più piccolo in cui il tweezing ottico può intrappolare una particella è circa la metà della lunghezza d'onda del raggio di luce. Nello spettro visibile questo sarebbe di circa 200 nanometri, la metà della lunghezza d'onda visibile più corta di 400 nanometri.

    Così, se il campione in questione è largo solo 2 nanometri – le dimensioni di una tipica proteina – intrappolarlo in uno spazio di 200 nanometri consente al massimo un controllo molto allentato. A livello di scala, è come guidare un pesciolino con una rete da pesca larga 20 metri.

    Inoltre, la forza ottica che la luce può esercitare su un oggetto diminuisce man mano che gli oggetti si rimpiccioliscono. "Se vuoi intrappolare qualcosa di molto piccolo, hai bisogno di un'enorme quantità di energia, che brucerà il tuo esemplare prima che tu possa intrappolarlo, "Ha detto Saleh.

    Alcuni ricercatori aggirano questo problema attaccando il campione a un oggetto molto più grande che può essere trascinato in giro con la luce. Dionne ha notato, però, che molecole importanti come l'insulina o il glucosio potrebbero comportarsi in modo molto diverso quando attaccate ad ancore giganti rispetto a quanto farebbero da sole. Per isolare e spostare un oggetto minuscolo senza friggerlo, i ricercatori avevano bisogno di un modo per aggirare i limiti dell'intrappolamento ottico convenzionale.

    La promessa della plasmonica

    Dionne afferma che il metodo più promettente per spostare minuscole particelle con la luce si basa sulla plasmonica, una tecnologia che sfrutta le proprietà ottiche ed elettroniche dei metalli. Un conduttore forte come l'argento o l'oro trattiene debolmente i suoi elettroni, dando loro la libertà di muoversi vicino alla superficie del metallo.

    Quando le onde luminose interagiscono con questi elettroni mobili, si muovono in quello che Dionne descrive come "un molto ben definito, danza intricata, " disperdere e scolpire la luce in onde elettromagnetiche chiamate polaritoni plasmonici. Queste oscillazioni hanno una lunghezza d'onda molto corta rispetto alla luce visibile, consentendo loro di intrappolare piccoli esemplari più strettamente.

    Dionne e Saleh hanno applicato i principi plasmonici per progettare una nuova apertura che focalizza la luce in modo più efficace. L'apertura è strutturata in modo molto simile ai cavi coassiali che trasmettono segnali televisivi, ha detto Saleh. Un tubo nanometrico di argento è rivestito da un sottile strato di biossido di silicio, e quei due strati sono avvolti in un secondo strato esterno d'argento. Quando la luce brilla attraverso l'anello di biossido di silicio, crea plasmoni all'interfaccia dove si incontrano l'argento e il biossido di silicio. I plasmoni viaggiano lungo l'apertura ed emergono dall'altra parte come un potente, fascio di luce concentrato.

    Il dispositivo di Stanford non è la prima trappola plasmonica, ma promette di intrappolare gli esemplari più piccoli registrati fino ad oggi. Saleh e Dionne hanno teoricamente dimostrato che il loro design può intrappolare particelle fino a 2 nanometri. Con ulteriori miglioramenti, il loro design potrebbe persino essere utilizzato per intrappolare otticamente molecole ancora più piccole.

    Un multi-strumento ottico

    Man mano che gli strumenti su scala nanometrica vanno, questa nuova trappola ottica sarebbe un gadget piuttosto versatile. Sebbene i ricercatori lo abbiano inizialmente immaginato nel contesto della scienza dei materiali, le sue potenziali applicazioni abbracciano molti altri campi tra cui la biologia, farmacologia, e genomica.

    Dionne ha detto che prima vorrebbe intrappolare una singola proteina, e prova a svelare la sua struttura contorta usando solo la luce visibile. Dionne sottolinea che il raggio di luce potrebbe essere utilizzato anche per esercitare una forte forza di trazione sulle cellule staminali, che ha dimostrato di cambiare il modo in cui questi importanti elementi costitutivi si differenziano in vari tipi di cellule. Saleh, d'altra parte, è particolarmente entusiasta di spostare e impilare minuscole particelle per esplorare le loro forze attrattive e creare nuove, materiali e dispositivi "dal basso verso l'alto".

    Tutto questo è lungo la strada, però. Intanto, Saleh sta lavorando per trasformare il progetto in realtà. Spera di avere un prototipo entro l'inizio del 2013.


    © Scienza https://it.scienceaq.com