Strumenti per manipolare piccole particelle sospese come cellule, le microparticelle e le nanoparticelle svolgono un ruolo essenziale nel progresso della scienza fondamentale e nella scoperta di nuove tecnologie. Specialmente, la manipolazione dei materiali con la luce ha portato a scoperte significative in diversi campi, dalla fisica atomica alla microbiologia e alla medicina molecolare. Più di 30 anni fa, Arthur Ashkin dei laboratori Bell ha proposto per la prima volta un dispositivo che utilizzava la luce laser focalizzata per intrappolare oggetti che hanno condiviso il Premio Nobel per la Fisica nel 2018. Questi dispositivi sono noti come pinzette ottiche e ora uno strumento chiave in biologia, fisica della materia soffice e ricerca sull'ottica quantistica.

Un grosso problema affrontato con le pinzette ottiche e altre tecniche di intrappolamento convenzionali è la loro incapacità di contenere oggetti di dimensioni estremamente piccole, chiamato anche carico. Immagina di raccogliere grani di sale usando solo un paio di aghi! Ciò che lo rende difficile è che la forza richiesta per catturare una particella si riduce man mano che le sue dimensioni diminuiscono. La svolta tecnologica chiave per consentire a queste pinzette ottiche di raggiungere più in profondità la nanoscala e diventare le cosiddette "nanotweezers" è stata la plasmonica. Quando illuminato dalla luce, le nanostrutture metalliche nobili creano attorno a sé un forte campo elettromagnetico in grado di attrarre e intrappolare le nanoparticelle vicine.

Però, anche le pinzette plasmoniche hanno dei limiti. Con un raggio di influenza limitato ed essendo fisso nello spazio, queste pinzette possono catturare solo nanoparticelle nelle loro vicinanze. Ciò rende l'intero processo di cattura intrinsecamente lento e inefficiente per il trasporto. Così, è importante progettare una tecnica che abbia l'efficienza di una tradizionale pinzetta plasmonica ma, allo stesso tempo, è manovrabile come le pinzette ottiche convenzionali.

In un lavoro precedente (pubblicato in Robotica scientifica ), i ricercatori hanno mostrato per la prima volta la manovrabilità delle pinzette plasmoniche grazie all'effetto combinato della forza magnetica e ottica. Però, grazie a questo approccio ibrido, quelle pinzette non sono applicabili per alcuni tipi di colloidi come le nanoparticelle magnetiche. Inoltre, non è stato possibile controllarli in modo indipendente per esercizi di manipolazione paralleli.

In questo lavoro, pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , i ricercatori dimostrano una tecnica avanzata di nanomanipolazione che funziona solo sulle forze ottiche e quindi di natura versatile. Nell'esperimento, hanno integrato un nanodisco plasmonico (in argento) a una microbarra dielettrica (in vetro) e manovrato la struttura ibrida con un raggio laser focalizzato. Questa è una manifestazione unica del concetto di "pinzetta in una pinzetta" in cui l'intrappolamento e la manovra si ottengono con un singolo raggio laser. Queste nanopinze completamente ottiche possono essere guidate verso qualsiasi oggetto target in qualsiasi ambiente fluidico con un controllo preciso per catturare, trasportare e rilasciare carichi su scala nanometrica fino a 40 nm (scala di lunghezza tipica del virus, DNA e varie macromolecole) ad alta velocità ed efficienza. I ricercatori hanno anche mostrato un controllo parallelo e indipendente nella manipolazione con vari nanooggetti tra cui nanodiamanti fluorescenti, nanoparticelle magnetiche con potenza laser ultra bassa che è inferiore alla soglia di danno tipica degli oggetti biologici morbidi.

Questa tecnologia dimostrata può consentire l'isolamento, manipolazione e assemblaggio a livello di chip di nanomateriali come nanocristalli, nanodiamanti fluorescenti e punti quantici, e consentire la manipolazione non invasiva di bio-esemplari fragili, come batteri, virus e varie macromolecole. Oltre a trasportare piccoli oggetti in vari punti di un dispositivo microfluidico, i ricercatori possono anche localizzarli con alta risoluzione spaziale e poi portarli via se necessario. Questa capacità potrebbe aprire nuove strade nell'assemblaggio e nel rilevamento su nanoscala.