(Phys.org) – En mikroskalateknik känd som optisk infångning använder ljusstrålar som pincett för att hålla och manipulera små partiklar. Stanford-forskare har hittat ett nytt sätt att fånga partiklar mindre än 10 nanometer – och potentiellt ner till bara några få atomer i storlek – som hittills har undgått ljusets grepp.

För att greppa och flytta mikroskopiska föremål, såsom bakterier och komponenterna i levande celler, forskare kan utnyttja kraften i koncentrerat ljus för att manipulera dem utan att någonsin röra dem fysiskt.

Nu, doktoranden Amr Saleh och biträdande professor Jennifer Dionne, forskare vid Stanford School of Engineering, har designat en innovativ ljusöppning som tillåter dem att optiskt fånga mindre föremål än någonsin tidigare – potentiellt bara några få atomer i storlek.

Processen med optisk fångst – eller optisk pincett, som det ofta kallas – innebär att skulptera en ljusstråle till en smal punkt som producerar ett starkt elektromagnetiskt fält. Strålen attraherar små föremål och fångar dem på plats, precis som en pincett.

Tyvärr, det finns naturliga gränser för tekniken. Processen bryts ner för föremål som är betydligt mindre än ljusets våglängd. Därför, optisk pincett kan inte greppa supersmå föremål som enskilda proteiner, som bara är ett par nanometer i diameter.

Saleh och Dionne har teoretiskt visat att ljus som passerar genom deras nya bländare stabilt skulle fånga objekt så små som 2 nanometer. Designen publicerades i tidskriften Nanobokstäver , och Saleh bygger nu en fungerande prototyp av den mikroskopiska enheten.

Kval av skala

Som materialvetare, Jennifer Dionne föreställde sig ett optiskt verktyg som skulle hjälpa henne att exakt flytta molekylära byggstenar till nya konfigurationer. "Optisk pincett verkade vara ett riktigt coolt sätt att sätta ihop nya material, " sa hon. Dionne är tidningens seniorförfattare.

Tyvärr, befintliga optiska pincett är inte skickliga på att hantera dessa små byggstenar. "Det har varit känt i flera decennier att det skulle vara en utmaning att fånga föremål i nanostorlek med ljus, sa Dionne.

Problemet ligger i själva ljusstrålen. Optisk fångst använder vanligtvis ljus i det synliga spektrumet (med våglängder mellan 400 och 700 nanometer) så att forskare faktiskt kan se provet när de manipulerar det.

På grund av en fysisk begränsning som kallas ljusets diffraktionsgräns, det minsta utrymmet där optisk pincett kan fånga en partikel är ungefär halva ljusstrålens våglängd. I det synliga spektrumet skulle detta vara cirka 200 nanometer – hälften av den kortaste synliga våglängden på 400 nanometer.

Således, om exemplaret i fråga bara är 2 nanometer brett – storleken på ett typiskt protein – tillåter fångst av det i ett utrymme på 200 nanometer endast mycket lös kontroll i bästa fall. Skalamässigt, det är som att styra en elritsa med ett 20 meter brett fiskenät.

Dessutom, den optiska kraften som ljus kan utöva på ett föremål minskar när föremålen blir mindre. "Om du vill fånga något mycket litet, du behöver en enorm mängd kraft, som kommer att bränna ditt prov innan du kan fånga det, " sa Saleh.

Vissa forskare kommer runt detta problem genom att fästa provet på ett mycket större föremål som kan dras runt med ljus. Dionne noterade, dock, att viktiga molekyler som insulin eller glukos kan bete sig helt annorlunda när de är fästa vid gigantiska ankare än de skulle göra på egen hand. För att isolera och flytta ett litet föremål utan att steka det, forskarna behövde en väg runt begränsningarna för konventionell optisk fångst.

Löftet om plasmonics

Dionne säger att den mest lovande metoden att flytta små partiklar med ljus bygger på plasmonik, en teknik som drar fördel av metallers optiska och elektroniska egenskaper. En stark ledare som silver eller guld håller sina elektroner svagt, ger dem frihet att röra sig nära metallens yta.

När ljusvågor interagerar med dessa mobila elektroner, de rör sig i vad Dionne beskriver som "en mycket väldefinierad, intrikat dans, " sprider och skulpterar ljuset till elektromagnetiska vågor som kallas plasmon-polaritoner. Dessa svängningar har en mycket kort våglängd jämfört med synligt ljus, gör det möjligt för dem att fånga små exemplar hårdare.

Dionne och Saleh tillämpade plasmoniska principer för att designa en ny bländare som fokuserar ljuset mer effektivt. Bländaren är strukturerad ungefär som koaxialkablarna som sänder tv-signaler, sa Saleh. Ett silverrör i nanoskala är belagt med ett tunt lager av kiseldioxid, och dessa två lager är inslagna i ett andra yttre lager av silver. När ljus lyser genom kiseldioxidringen, det skapar plasmoner i gränsytan där silver och kiseldioxid möts. Plasmonerna färdas längs öppningen och dyker upp i andra änden som en kraftfull, koncentrerad ljusstråle.

Stanford-enheten är inte den första plasmoniska fällan, men det lovar att fånga de minsta exemplaren som hittills registrerats. Saleh och Dionne har teoretiskt visat att deras design kan fånga upp partiklar så små som 2 nanometer. Med ytterligare förbättringar, deras design skulle till och med kunna användas för att optiskt fånga ännu mindre molekyler.

Ett optiskt multiverktyg

När verktyg i nanoskala går, denna nya optiska fälla skulle vara en ganska mångsidig pryl. Medan forskarna först föreställde sig det i samband med materialvetenskap, dess potentiella tillämpningar spänner över många andra områden inklusive biologi, farmakologi, och genomik.

Dionne sa att hon först skulle vilja fånga ett enda protein, och försök att reda ut dess vridna struktur med enbart synligt ljus. Dionne påpekar att ljusstrålen också kan användas för att utöva en stark dragkraft på stamceller, vilket har visat sig förändra hur dessa viktiga byggstenar differentierar sig till olika typer av celler. Saleh, å andra sidan, är särskilt upphetsad över att flytta och stapla små partiklar för att utforska deras attraktionskrafter och skapa nya, "bottom-up" material och enheter.

Allt detta är på vägen, dock. Sålänge, Saleh jobbar på att förvandla designen till verklighet. Han hoppas kunna ha en prototyp i början av 2013.