(Phys.org) - Een techniek op microschaal die bekend staat als optische trapping, gebruikt lichtstralen als pincet om kleine deeltjes vast te houden en te manipuleren. Onderzoekers van Stanford hebben een nieuwe manier gevonden om deeltjes te vangen die kleiner zijn dan 10 nanometer - en mogelijk tot slechts een paar atomen groot - die tot nu toe aan de greep van het licht waren ontsnapt.

Om microscopisch kleine objecten vast te pakken en te verplaatsen, zoals bacteriën en de componenten van levende cellen, wetenschappers kunnen de kracht van geconcentreerd licht gebruiken om ze te manipuleren zonder ze ooit fysiek aan te raken.

Nutsvoorzieningen, promovendus Amr Saleh en Universitair Docent Jennifer Dionne, onderzoekers van de Stanford School of Engineering, hebben een innovatieve lichtopening ontworpen waarmee ze kleinere objecten optisch kunnen vangen dan ooit tevoren - mogelijk slechts een paar atomen groot.

Het proces van optische trapping - of optisch pincet, zoals het vaak wordt genoemd - omvat het beeldhouwen van een lichtstraal in een smal punt dat een sterk elektromagnetisch veld produceert. De straal trekt kleine objecten aan en houdt ze op hun plaats, net als een pincet.

Helaas, er zijn natuurlijke grenzen aan de techniek. Het proces wordt afgebroken voor objecten die aanzienlijk kleiner zijn dan de golflengte van licht. Daarom, optische pincetten kunnen geen superkleine voorwerpen zoals individuele eiwitten vastpakken, die slechts een paar nanometer in doorsnee zijn.

Saleh en Dionne hebben theoretisch aangetoond dat licht dat door hun nieuwe diafragma gaat, objecten van slechts 2 nanometer stabiel kan vangen. Het ontwerp is gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , en Saleh bouwt nu een werkend prototype van het microscopische apparaat.

Kwellingen van schaal

Als materiaalwetenschapper Jennifer Dionne stelde zich een optisch hulpmiddel voor dat haar zou helpen om moleculaire bouwstenen nauwkeurig naar nieuwe configuraties te verplaatsen. "Optisch pincet leek me een heel coole manier om nieuwe materialen in elkaar te zetten, ' zei ze. Dionne is de hoofdauteur van de krant.

Helaas, bestaande optische pincetten zijn niet bedreven in het hanteren van deze kleine bouwstenen. "Het is al tientallen jaren bekend dat het een uitdaging zou zijn om nano-objecten met licht te vangen, ' zei Dionne.

Het probleem is inherent aan de lichtstraal zelf. Optische trapping maakt meestal gebruik van licht in het zichtbare spectrum (met golflengten tussen 400 en 700 nanometer), zodat wetenschappers het monster daadwerkelijk kunnen zien terwijl ze het manipuleren.

Vanwege een fysieke beperking die de diffractielimiet van licht wordt genoemd, de kleinste ruimte waarin een optisch pincet een deeltje kan vangen, is ongeveer de helft van de golflengte van de lichtstraal. In het zichtbare spectrum zou dit ongeveer 200 nanometer zijn – de helft van de kortste zichtbare golflengte van 400 nanometer.

Dus, als het monster in kwestie slechts 2 nanometer breed is - de grootte van een typisch eiwit - is het op zijn best slechts een zeer losse controle mogelijk door het op te sluiten in een ruimte van 200 nanometer. Schaalgewijs, het is vergelijkbaar met het begeleiden van een minnow met een 20 meter breed visnet.

Aanvullend, de optische kracht die licht op een object kan uitoefenen, neemt af naarmate de objecten kleiner worden. "Als je iets heel kleins wilt vangen, je hebt enorm veel kracht nodig, die je exemplaar zal verbranden voordat je het kunt vangen, ' zei Saleh.

Sommige onderzoekers omzeilen dit probleem door het exemplaar aan een veel groter object te bevestigen dat met licht kan worden gesleept. Dionne merkte op, echter, dat belangrijke moleculen zoals insuline of glucose zich heel anders zouden kunnen gedragen wanneer ze aan gigantische ankers zijn bevestigd dan op zichzelf. Om een ​​klein voorwerp te isoleren en te verplaatsen zonder het te braden, de onderzoekers hadden een manier nodig om de beperkingen van conventionele optische trapping te omzeilen.

De belofte van plasmonics

Dionne zegt dat de meest veelbelovende methode om kleine deeltjes met licht te verplaatsen afhankelijk is van plasmonica, een technologie die profiteert van de optische en elektronische eigenschappen van metalen. Een sterke geleider zoals zilver of goud houdt zijn elektronen zwak vast, waardoor ze de vrijheid hebben om in de buurt van het metaaloppervlak te bewegen.

Wanneer lichtgolven interageren met deze mobiele elektronen, ze bewegen in wat Dionne beschrijft als "een zeer goed gedefinieerde, ingewikkelde dans, " verstrooiing en beeldhouwen van het licht in elektromagnetische golven genaamd plasmon-polaritonen. Deze oscillaties hebben een zeer korte golflengte in vergelijking met zichtbaar licht, waardoor ze kleine exemplaren steviger kunnen vangen.

Dionne en Saleh pasten plasmonische principes toe om een ​​nieuw diafragma te ontwerpen dat het licht effectiever bundelt. Het diafragma is gestructureerd zoals de coaxkabels die televisiesignalen verzenden, zei Saleh. Een buis van zilver op nanoschaal is bedekt met een dunne laag siliciumdioxide, en die twee lagen zijn gewikkeld in een tweede buitenste laag zilver. Als er licht door de siliciumdioxidering schijnt, het creëert plasmonen op het grensvlak waar het zilver en siliciumdioxide samenkomen. De plasmonen reizen langs de opening en komen aan de andere kant tevoorschijn als een krachtige, geconcentreerde lichtstraal.

Het Stanford-apparaat is niet de eerste plasmonische val, maar het belooft de kleinste exemplaren die tot nu toe zijn geregistreerd te vangen. Saleh en Dionne hebben theoretisch aangetoond dat hun ontwerp deeltjes zo klein als 2 nanometer kan vangen. Met verdere verbeteringen, hun ontwerp zou zelfs kunnen worden gebruikt om nog kleinere moleculen optisch op te vangen.

Een optische multitool

Zoals tools op nanoschaal gaan, deze nieuwe optische val zou een behoorlijk veelzijdige gadget zijn. Terwijl de onderzoekers het zich voor het eerst voorstelden in de context van materiaalwetenschap, zijn potentiële toepassingen omvatten vele andere gebieden, waaronder biologie, farmacologie, en genomica.

Dionne zei dat ze eerst een enkel eiwit zou willen vangen, en probeer de verwrongen structuur te ontrafelen met alleen zichtbaar licht. Dionne wijst erop dat de lichtstraal ook kan worden gebruikt om een ​​sterke trekkracht op stamcellen uit te oefenen, waarvan is aangetoond dat het verandert hoe deze belangrijke bouwstenen differentiëren in verschillende soorten cellen. Saleh, anderzijds, is vooral enthousiast over het verplaatsen en stapelen van kleine deeltjes om hun aantrekkingskracht te verkennen en nieuwe, "bottom-up" materialen en apparaten.

Dit alles is op de weg, echter. Ondertussen, Saleh werkt eraan om het ontwerp om te zetten in realiteit. Hij hoopt begin 2013 een prototype te hebben.