Desarrollan pinzas ópticas que emplean láseres de baja potencia para manipular cientos de micro-partículas

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Un innovador proyecto mexicano de física básica que parece sacado de una novela de ciencia ficción hace uso de la luz para apresar y manipular cientos de micro-partículas a la vez.

El Dr. Rubén Ramos García, científico del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), es el líder de este proyecto. El Dr. Ramos ha realizado investigación en el área de pinzas ópticas durante los últimos 14 años. Entre las aplicaciones más importantes de las pinzas ópticas destacan aquellas relacionadas con la medicina y la biología.

Las pinzas ópticas permiten la captura y manipulación de micro-partículas y nano-partículas utilizando un láser altamente enfocado.

«Con las pinzas ópticas la manipulación de las micro-partículas se produce de manera no invasiva, es decir, no hay ningún contacto con las partículas ni tampoco daño alguno a las partículas que se están manipulando. Lo más interesante es que estas partículas no necesariamente son inanimadas, pueden ser bacterias, virus, células e incluso organismos sub-celulares como la mitocondria y el núcleo», señala el investigador.

Los primeros reportes de manipulación óptica fueron generados en la década de los setenta principalmente por el Dr. Arthur Ashkin, Premio Nobel de Física 2018, quien puede ser considerado como el padre de las pinzas ópticas.

«En 1970 Ashkin reportó que la luz puede ejercer presión sobre los objetos. En 1986 demostró que con un solo haz altamente enfocado se puede manipular una partícula y eso fue el nacimiento de las pinzas ópticas», explica el Dr. Ramos.

En el INAOE, el trabajo de investigación en pinzas ópticas empezó en 2004. «Tenemos varios proyectos en el área, aunque lo más preciso sería decir que tenemos un proyecto con diferentes ramificaciones».

El citado proyecto realiza una contribución significativa en el área al utilizar un láser de muy baja potencia para manipular al mismo tiempo cientos de micro-partículas. Típicamente una pinza requiere una potencia de aproximadamente cinco miliwatts por cada micro-partícula atrapada, por lo que manipular cientos de partículas requeriría un láser de varios Watts de potencia, con costo de cientos de miles de pesos.

Al respecto, el investigador del INAOE abunda que para generar pinzas ópticas se requiere de un haz fuertemente enfocado para manipular una partícula. «Si quieres manipular dos, necesitas dos haces fuertemente enfocados y así sucesivamente. Lo que estamos usando ahora es una técnica que permite manipular cientos de partículas a la vez pero con muy baja potencia del láser. Para lograr esto depositamos una película delgada de un metal, como el titanio, típicamente de unos 60 nanómetros, en vidrio. El láser calienta el metal que está en contacto con el agua que contienen las partículas, lo que produce corrientes de convección y/o termofóresis que permiten atrapar estas partículas. La termofóresis consiste en el transporte de partículas en gradientes de temperatura. Las fuerzas termoforéticas son en general, varios órdenes de magnitud más grande que las fuerzas ópticas».

Sin embargo, esta técnica tiene una desventaja, ya que sólo permite manipular partículas en dos dimensiones, «pero para muchas aplicaciones eso es más que suficiente. Dos dimensiones quiere decir que podemos tener las partículas en una superficie y moverlas todas juntas pero en ese plano. En tres dimensiones implicaría que las podrías levantar de la superficie, aún así, a pesar de esa limitación, es una técnica muy útil. Te permite hacer muchas de aplicaciones. Ahora nos estamos enfocando en física básica, en particular la formación de cristales coloidales, es decir, micro-partículas disueltas en agua que puedes atrapar en la superficie y formar una uni-capa de partículas, pero esas uni-capas se pueden utilizar para aumentar por ejemplo la absorción de radiación en celdas solares, para aumentar el acoplamiento de la luz a guías de onda o para utilizar sensores ópticos».

«Mediante hologramas generados por computadora podemos producir patrones de luz complejos, como por ejemplo un anillo de luz. El anillo de luz me permite atrapar muchas partículas, es como si tuviera un corral caliente, las partículas se alejan de la zona caliente radialmente hacia el centro y si ahora desplazo el corral arrastro todas las partículas. Pero bien podrían producirse patrones más complejos como por ejemplo selección de partículas por tamaño o composición química».

Finalmente, informa que en estos proyectos han trabajado muchos estudiantes de posgrado, tanto de maestría como de doctorado.

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