Hulpmiddelen voor het manipuleren van kleine zwevende deeltjes zoals cellen, microdeeltjes en nanodeeltjes spelen een essentiële rol bij de vooruitgang van fundamentele wetenschap en de ontdekking van nieuwe technologieën. Vooral, manipulatie van materialen met licht heeft geleid tot belangrijke doorbraken op diverse gebieden, van atoomfysica tot microbiologie en moleculaire geneeskunde. Meer dan 30 jaar geleden, Arthur Ashkin van Bell Labs stelde voor het eerst een apparaat voor dat gefocust laserlicht gebruikte om objecten te vangen die in 2018 de Nobelprijs voor de Natuurkunde deelden. Deze apparaten staan ​​bekend als optische pincetten en zijn nu een belangrijk instrument in de biologie. onderzoek naar zachte materie en kwantumoptica.

Een groot probleem bij optische pincetten en andere conventionele vangtechnieken is hun onvermogen om extreem kleine objecten vast te houden, ook wel vracht genoemd. Stel je voor dat je zoutkorrels opraapt met slechts een paar naalden! Wat het moeilijk maakt, is dat de kracht die nodig is om een ​​deeltje te vangen, afneemt naarmate het kleiner wordt. De belangrijkste technologische doorbraak die ervoor heeft gezorgd dat deze optische pincetten dieper in de nanoschaal kunnen reiken en zogenaamd "nanopincet" kunnen worden, is plasmonica. Wanneer verlicht door licht, edele metalen nanostructuren creëren een sterk elektromagnetisch veld om zich heen dat nanodeeltjes die dichtbij zijn, kan aantrekken en vasthouden.

Echter, plasmonische pincetten hebben ook beperkingen. Met een beperkte invloedssfeer en gefixeerd in de ruimte, deze pincetten kunnen alleen nanodeeltjes in hun omgeving opvangen. Dit maakt het hele vangproces inherent traag en inefficiënt voor transport. Dus, het is belangrijk om een ​​techniek te ontwerpen die de efficiëntie heeft van een traditionele plasmonische pincet, maar, tegelijkertijd, is wendbaar als conventionele optische pincetten.

In eerder werk (gepubliceerd in Wetenschap Robotica ), de onderzoekers toonden voor het eerst wendbaarheid van plasmonische pincetten door een gecombineerd effect van magnetische en optische kracht. Echter, door deze hybride aanpak, dat pincet is niet van toepassing op bepaalde soorten colloïden zoals magnetische nanodeeltjes. Het was ook niet mogelijk om ze onafhankelijk te controleren voor parallelle manipulatie-oefeningen.

In dit werk, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , de onderzoekers demonstreren een geavanceerde nanomanipulatietechniek die alleen op optische krachten werkt en daardoor veelzijdig van aard is. In het experiment, ze hebben een plasmonische nanoschijf (gemaakt van zilver) geïntegreerd in een diëlektrische microstaaf (gemaakt van glas) en de hybride structuur gemanoeuvreerd met een gefocusseerde laserstraal. Dit is een unieke manifestatie van het "pincet in een pincet"-concept waarbij het vangen en manoeuvreren wordt bereikt met een enkele laserstraal. Deze volledig optische nanopincet kan naar elk doelobject in elke vloeistofomgeving worden gedreven met nauwkeurige controle om vast te leggen, transporteren en vrijgeven van ladingen op nanoschaal tot 40 nm (typische lengteschaal van virus, DNA en verschillende macromoleculen) met hoge snelheid en efficiëntie. De onderzoekers toonden ook parallelle en onafhankelijke controle bij manipulatie met verschillende nano-objecten, waaronder fluorescerende nanodiamanten, magnetische nanodeeltjes met ultralaag laservermogen dat lager is dan de typische schadedrempel van zachte biologische objecten.

Deze gedemonstreerde technologie kan isolatie mogelijk maken, manipulatie en assemblage op chipniveau van nanomaterialen zoals nanokristallen, fluorescerende nanodiamanten en kwantumstippen, en niet-invasieve manipulatie van fragiele bio-specimens mogelijk te maken, zoals bacteriën, virus en verschillende macromoleculen. Afgezien van het dragen van kleine voorwerpen naar verschillende plekken van een microfluïdisch apparaat, de onderzoekers kunnen ze ook met een hoge ruimtelijke resolutie lokaliseren en indien nodig weghalen. Dit vermogen kan nieuwe wegen openen voor assemblage en detectie op nanoschaal.