È difficile concettualizzare un mondo in cui gli esseri umani potrebbero manipolare casualmente oggetti su nanoscala a piacimento o persino controllare la propria materia biologica a livello cellulare con la luce. Ma questo è esattamente ciò che Yuebing Zheng, assistente professore di ingegneria meccanica presso l'Università del Texas ad Austin, sta lavorando con i suoi "nanotweezers", un nuovo strumento per gestire le nanoparticelle usando la luce che potrebbe creare opportunità per innovazioni nella nanotecnologia e nel monitoraggio della salute individuale.

Basandosi su diversi anni di ricerca, Zheng e il suo team della Cockrell School of Engineering hanno sviluppato nanopinzette opto-termoelettriche (OTENT) che aiuteranno a portare a una maggiore comprensione della materia e dei sistemi biologici e apriranno una gamma di possibilità per l'innovazione fondamentale e tecnica nella nanofotonica:lo studio della luce -interazione materia su scala nanometrica. Spiegano il loro nuovo lavoro nell'ultimo numero della rivista Fotonica della natura .

"Fino ad ora, semplicemente non sapevamo come manipolare le nanoparticelle usando il riscaldamento ottico, " ha detto Zheng. "Con le nostre nanopinzette, non solo possiamo controllare le particelle su scala nanometrica, possiamo anche analizzare le particelle e controllare l'accoppiamento in situ."

Per una delle applicazioni dimostrate delle nanopinzette, Zheng ha lavorato con il professore di ingegneria chimica UT Austin Brian Korgel, che quest'anno è stato eletto alla National Academy of Engineering per il suo lavoro rivoluzionario in nanocristalli e nanofili.

"Questo progetto è stato davvero interessante per me, "Korgel ha detto. "E 'stato guidato da un gruppo di ingegneria meccanica che aveva scoperto un modo per manipolare le singole nanoparticelle e nanofili. La loro esperienza consisteva nella costruzione delle macchine fotoniche, ma non nella produzione dei materiali da utilizzare per gli esperimenti. Così, il mio gruppo ha sviluppato la sintesi dei nanofili utilizzati nello studio. È stata una bella collaborazione".

Ernst-Ludwig Florin, professore associato di fisica e membro del Center for Nonlinear Dynamics di UT, insieme allo studente laureato Emanuel Lissek, ha fornito ulteriore esperienza nelle misurazioni di precisione dimostrando la forza delle nanopinzette.

Questa cooperazione tra nanofotonica, la ricerca in nanochimica e nanofisica ha fornito gli strumenti per manipolare e analizzare le nanoparticelle in modi che hanno, fino ad ora, stato fuori dalla nostra portata. Il team di ricerca UT ha dimostrato come, usando le loro nanopinzette, la luce può essere utilizzata su scala nanometrica allo stesso modo in cui le pinzette meccaniche vengono utilizzate per gestire campioni più grandi.

Come tecnica generale, le nanopinzette sono applicabili a un'ampia gamma di metalli, semiconduttore, nanostrutture polimeriche e dielettriche con superfici cariche o idrofobe. Finora, i ricercatori sono riusciti a "intrappolare" nanosfere di silicio, perle di silice, perline di polistirolo, nanofili di silicio, nanofili di germanio e nanostrutture metalliche. L'ulteriore disposizione di questi nanomateriali in un modo progettato razionalmente può portare a una migliore comprensione di come si organizza la materia e alla potenziale scoperta di nuovi materiali funzionali.

In un contesto biologico, Zheng ritiene che la manipolazione delle cellule vive e la comunicazione da cellula a cellula sarà probabilmente un obiettivo di ricerca primario per gli ingegneri che desiderano sfruttare le capacità offerte dalle nanopinzette.

"L'ottimizzazione dell'attuale sistema per renderlo biocompatibile è il prossimo passo del nostro progetto, " Zheng ha detto. "Ci aspettiamo di usare le nostre pinzette per manipolare cellule e molecole biologiche alla risoluzione di una singola molecola, per controllare il rilascio di farmaci e per studiare l'interazione cellula-cellula. La manipolazione e l'analisi di oggetti biologici apriranno una nuova porta alla diagnosi precoce delle malattie e alla scoperta della nanomedicina".

Zheng è fiducioso che la tecnologia sarà commercializzata, persino al punto in cui le nanopinzette potrebbero essere adattate per l'uso in un'app per smartphone, quasi come un coltellino svizzero moderno.

"Questo è quello che speriamo, ", ha detto. "Vediamo anche grandi opportunità nell'educazione di sensibilizzazione, forse per gli studenti che vogliono vedere com'è veramente una cella. Inoltre, potrebbe essere usato per valutare come funziona il proprio sistema immunitario sano. Ha il potenziale per essere un importante strumento diagnostico mobile, dando alle persone più autonomia rispetto alla propria assistenza sanitaria".