Het is moeilijk om een ​​wereld voor te stellen waarin mensen willekeurig objecten op nanoschaal kunnen manipuleren of zelfs hun eigen biologische materie op cellulair niveau met licht kunnen beheersen. Maar dat is precies wat Yuebing Zheng, assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Texas in Austin, werkt met zijn "nanotweezers" naar een nieuw hulpmiddel voor het hanteren van nanodeeltjes met behulp van licht dat kansen zou kunnen creëren voor innovaties in nanotechnologie en individuele gezondheidsmonitoring.

Voortbouwend op jarenlang onderzoek, Zheng en zijn team van de Cockrell School of Engineering hebben opto-thermo-elektrische nanopincet (OTENT) ontwikkeld die zal helpen leiden tot een beter begrip van materie en biologische systemen en een scala aan mogelijkheden zal openen voor fundamentele en technische innovatie in nanofotonica - de studie van licht -materie interactie op nanometerschaal. Ze lichten hun nieuwe werk toe in het laatste nummer van het tijdschrift Natuurfotonica .

"Tot nu, we wisten gewoon niet hoe we nanodeeltjes moesten manipuleren met behulp van optische verwarming, " zei Zheng. "Met onze nanopincet, we kunnen deeltjes niet alleen op nanoschaal controleren, we kunnen de deeltjes ook analyseren en de koppeling in-situ regelen."

Voor een van de gedemonstreerde toepassingen van nanopincet, Zheng werkte samen met Brian Korgel, professor chemische technologie aan de UT Austin, die dit jaar werd gekozen tot lid van de National Academy of Engineering voor zijn baanbrekende werk op het gebied van nanokristallen en nanodraden.

"Dit project was echt interessant voor mij, " Zei Korgel. "Het werd geleid door een groep in werktuigbouwkunde die een manier had ontdekt om individuele nanodeeltjes en nanodraden te manipuleren. Hun expertise lag bij het bouwen van de fotonica-machines, maar niet bij het maken van de materialen voor de experimenten. Dus, mijn groep ontwikkelde de synthese van de nanodraden die in het onderzoek werden gebruikt. Het was een fijne samenwerking."

Ernst-Ludwig Florin, universitair hoofddocent natuurkunde en lid van UT's Centre for Nonlinear Dynamics, samen met afgestudeerde student Emanuel Lissek, leverde aanvullende expertise op het gebied van precisiemetingen door de sterkte van de nanopincet aan te tonen.

Deze samenwerking tussen nanofotonica, nanochemie en nanofysica-onderzoek hebben de tools opgeleverd om nanodeeltjes te manipuleren en te analyseren op manieren die, tot nu, buiten ons bereik geweest. Het UT-onderzoeksteam heeft laten zien hoe, met behulp van hun nanopincet, licht kan op nanoschaal worden gebruikt op dezelfde manier waarop een mechanisch pincet wordt gebruikt om grotere monsters te hanteren.

Als algemene techniek, de nanopincet is toepasbaar op een breed scala aan metalen, halfgeleider, polymeer en diëlektrische nanostructuren met geladen of hydrofobe oppervlakken. Zo ver, onderzoekers hebben met succes silicium nanosferen "gevangen", silica kralen, polystyreen parels, silicium nanodraden, germanium nanodraden en metalen nanostructuren. De verdere rangschikking van deze nanomaterialen op een rationeel ontworpen manier kan leiden tot een beter begrip van hoe materie zich organiseert en mogelijke ontdekking van nieuwe functionele materialen.

In een biologische setting, Zheng gelooft dat manipulatie van levende cellen en cel-naar-cel communicatie waarschijnlijk een primaire onderzoeksfocus zal zijn voor ingenieurs die de mogelijkheden van de nanopincet willen benutten.

"Optimalisatie van het huidige systeem om het bio-compatibel te maken is de volgende stap van ons project, " zei Zheng. "We verwachten dat we ons pincet zullen gebruiken om biologische cellen en moleculen te manipuleren met een resolutie van één molecuul, om de afgifte van geneesmiddelen te controleren en om de cel-celinteractie te bestuderen. De manipulatie en analyse van biologische objecten zal een nieuwe deur openen naar vroege diagnose van ziekten en de ontdekking van nanogeneeskunde."

Zheng is ervan overtuigd dat de technologie zal worden gecommercialiseerd, zelfs tot het punt waarop nanopincet zou kunnen worden aangepast voor gebruik in een smartphone-app, bijna als een modern Zwitsers zakmes.

"Dat is wat we hopen, " zei hij. "We zien ook grote kansen in outreachend onderwijs, misschien voor studenten die willen zien hoe een cel er echt uitziet. In aanvulling, het zou kunnen worden gebruikt om te beoordelen hoe gezond iemands immuunsysteem functioneert. Het heeft de potentie om een ​​belangrijk mobiel diagnostisch hulpmiddel te zijn, mensen meer autonomie geven over hun eigen zorg.”