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| Las pinzas ópticas utilizan la luz para atrapar partículas para su análisis. Las nuevas pinzas opto-refrigerantes evitan que esas partículas se sobrecalienten. (Cortesía: Universidad de Texas en Austin) |
Pinzas opto-refrigerantes
Las pinzas ópticas ofrecen oportunidades revolucionarias para la investigación fundamental y aplicada en la ciencia de los materiales, la biología y la ingeniería médica. Sin embargo, la necesidad de un rayo láser fuertemente enfocado y de alta intensidad da lugar a posibles daños térmicos e inducidos por los fotones en los objetos objetivo, incluidas las nanopartículas, las células y las biomoléculas. Aquí presentamos un nuevo tipo de pinzas basadas en la luz, denominadas pinzas opto-refrigerativas, que explotan la refrigeración óptica de estado sólido y la termoforesis para atrapar partículas y moléculas en la región fría generada por el láser. Mientras que la refrigeración por láser puede evitar el calentamiento fototérmico, el uso de un rayo láser débilmente enfocado puede reducir aún más los fotodaños en el objeto objetivo. Está novedosa y no invasiva técnica de pinzado óptico aportará nuevas posibilidades en el control óptico de nanomateriales y biomoléculas para aplicaciones esenciales en nanotecnología, fotónica y ciencias de la vida.
Científicos de EE.UU. y China han creado unas novedosas pinzas ópticas que atrapan partículas a temperaturas más bajas y utilizan láseres más débiles que las técnicas convencionales de pinzas ópticas, lo que reduce los riesgos de fotodaño y daño térmico. El novedoso dispositivo aprovecha la refrigeración óptica para atrapar partículas mediante termoforesis, en lugar de fuerza óptica.
En 2018, se concedió una parte del Premio Nobel de Física a Arthur Ashkin por inventar las pinzas ópticas. Estos instrumentos utilizan un rayo láser muy enfocado para generar fuerzas que pueden sujetar y mover objetos diminutos, como nanopartículas, átomos y biomoléculas. En la actualidad han participado en notables avances en nanotecnología, física, ciencia biológica y química.
Pero las pinzas ópticas plantean problemas. Para producir las fuerzas necesarias, requieren un rayo láser fuertemente enfocado con una alta intensidad óptica. Durante las interacciones prolongadas, esto puede causar tanto fotodaño como una acumulación de calor que puede alterar o dañar las partículas y las muestras biológicas.
Ahora, investigadores de la Universidad de Texas en Austin y de la Universidad Normal de Shaanxi han desarrollado una nueva técnica, que han denominado pinzas opto-refrigerativas, para superar estos problemas. Este método se basa en la termoforesis (movimiento de una partícula en un gradiente de temperatura) y en el uso de un material óptico que se enfría cuando un rayo láser incide sobre él, un fenómeno conocido como refrigeración óptica.
La idea es crear un punto frío en el material para que la partícula migre hacia él. "Como la mayoría de las partículas son termófobas por naturaleza, tienden a desplazarse de la región caliente a la fría", explica Jingang Li, físico de la Universidad de Texas en Austin. "Así que pueden ser conducidas a este punto frío creado por el láser y luego quedar atrapadas en la región fría".
Además de detener el sobrecalentamiento y el daño térmico, esta técnica de pinzas también utiliza un rayo láser débilmente enfocado, lo que reduce el fotodaño, ya que no depende de la fuerza óptica. "No necesitamos un rayo láser muy enfocado, sólo tenemos que crear un gradiente de temperatura a través de este enfriamiento óptico", explica Li a Physics World.
Atracción por el frío
Para realizar sus pinzas opto-refrigerativas, Li y sus colegas crearon un sustrato de cristales de fluoruro de itrio dopado con iterbio (Yb:YLF). Cuando un láser con una longitud de onda de 1020 nm brilla sobre estos nanocristales, se produce un efecto inusual, conocido como fluorescencia anti-Stokes, que hace que el material se enfríe. Li explica que los materiales suelen absorber la energía de los fotones y convertirla en calor, pero las propiedades electrónicas del Yb:YLF hacen que emita un fotón con una energía superior a la absorbida. "Mediante esta interacción única, el material pierde realmente energía, pierde calor y se enfría", afirma Li.
Cuando los investigadores hicieron brillar un láser de 1020 nm sobre su sustrato, observaron un descenso instantáneo de la temperatura de unos 7,5 °C en el centro del rayo láser. A medida que aumentaban la intensidad del láser, la temperatura descendía aún más y aumentaba el gradiente de temperatura en el material.
El equipo utilizó sus pinzas opto-refrigerantes para atraer, atrapar y liberar una nanopartícula de poliestireno fluorescente de 200 nm. La nanopartícula se colocó en agua pesada sobre el sustrato de cristal, elegido porque tiene una baja absorción de luz a 1020 nm. Descubrieron que el gradiente de temperatura proporcionaba un rango de trabajo bastante largo en comparación con las pinzas ópticas, lo que les permitía atrapar nanopartículas que estaban a más de 10 µm del rayo láser. Cuando aumentaron la intensidad del láser, la nanopartícula quedó más confinada en el centro del rayo láser. También atraparon una proteína fluorescente, logrando resultados similares.
Para comprobar las ventajas de un rayo láser más débil y de temperaturas más frías, los investigadores compararon el mismo láser de 1020 nm utilizado como pinza óptica y como pinza opto-refrigerativa sobre la nanopartícula fluorescente de poliestireno. Comprobaron que las pinzas ópticas convencionales provocaban un marcado descenso de la intensidad de la fluorescencia de la nanopartícula, atribuido al fotoblanqueo y al blanqueo térmico, mientras que la partícula atrapada por las pinzas opto-refrigerativas sólo mostraba una ligera disminución.
Fuentes, créditos y referencias:
El estudio, publicado en Science Advances, demuestra que las pinzas
opto-refrigerativas son posibles. Li y sus colegas planean ahora
optimizar el sistema. Esto incluirá la mejora del sustrato para generar
un punto de enfriamiento más uniforme y la mejora de la capacidad de
captura para permitir una mayor reducción de la potencia del láser.