Det är svårt att föreställa sig en värld där människor slentrianmässigt kan manipulera föremål i nanoskala efter behag eller till och med kontrollera sin egen biologiska materia på cellnivå med ljus. Men det är precis vad Yuebing Zheng, biträdande professor i maskinteknik vid University of Texas i Austin, arbetar mot med sina "nanotweezers" - ett nytt verktyg för att hantera nanopartiklar med hjälp av ljus som kan skapa möjligheter för innovationer inom nanoteknik och individuell hälsoövervakning.

Utifrån flera års forskning, Zheng och hans team från Cockrell School of Engineering har utvecklat opto-termoelektriska nanotweezer (OTENT) som kommer att hjälpa till att leda till en större förståelse av materia och biologiska system och öppna en rad möjligheter för grundläggande och teknisk innovation inom nanofotonik - studiet av ljus -matterinteraktion på nanometerskalan. De förklarar sitt nya arbete i det senaste numret av tidskriften Naturfotonik .

"Tills nu, vi visste helt enkelt inte hur vi skulle manipulera nanopartiklar med optisk uppvärmning, " sa Zheng. "Med våra nanotweezers, vi kan inte bara kontrollera partiklar i nanoskala, vi kan också analysera partiklarna och kontrollera kopplingen på plats."

För en av de demonstrerade tillämpningarna av nanotweezer, Zheng arbetade med UT Austin kemiteknikprofessor Brian Korgel, som i år valdes till National Academy of Engineering för sitt genombrott i nanokristaller och nanotrådar.

"Det här projektet var riktigt intressant för mig, ", sa Korgel. "Det leddes av en grupp inom maskinteknik som hade upptäckt ett sätt att manipulera individuella nanopartiklar och nanotrådar. Deras expertis var att bygga fotonikmaskinerna men inte i att tillverka materialen som skulle användas för experimenten. Så, min grupp utvecklade syntesen av nanotrådarna som användes i studien. Det var ett fantastiskt samarbete."

Ernst-Ludwig Florin, docent i fysik och medlem av UT:s Centrum för icke-linjär dynamik, tillsammans med doktoranden Emanuel Lissek, gav ytterligare expertis inom precisionsmätningar genom att demonstrera styrkan hos nanotweezers.

Detta samarbete mellan nanofotonik, nanokemisk och nanofysisk forskning har gett verktygen för att manipulera och analysera nanopartiklar på ett sätt som har, tills nu, varit utom vår räckhåll. UT-forskargruppen har visat hur, använder sina nanotweezers, ljus kan användas i nanoskala på samma sätt som en mekanisk pincett används för att hantera större prover.

Som en allmän teknik, nanotweezers är tillämpbara på ett brett utbud av metall, halvledare, polymera och dielektriska nanostrukturer med laddade eller hydrofoba ytor. Än så länge, forskare har framgångsrikt "fångat" kisel nanosfärer, kiselpärlor, polystyrenpärlor, kisel nanotrådar, germanium nanotrådar och metallnanostrukturer. Det vidare arrangemanget av dessa nanomaterial på ett rationellt utformat sätt kan leda till en bättre förståelse av hur materia organiserar sig och potentiell upptäckt av nya funktionella material.

I en biologisk miljö, Zheng tror att manipulation av levande celler och cell-till-cell-kommunikation förmodligen kommer att vara ett primärt forskningsfokus för ingenjörer som vill utnyttja de möjligheter som nanotweezers erbjuder.

"Optimering av det nuvarande systemet för att göra det biokompatibelt är nästa steg i vårt projekt, " sa Zheng. "Vi förväntar oss att använda vår pincett för att manipulera biologiska celler och molekyler med en molekylupplösning, för att kontrollera läkemedelsfrisättning och för att studera cell-cellinteraktionen. Manipulering och analys av biologiska föremål kommer att öppna en ny dörr till tidig sjukdomsdiagnostik och upptäckten av nanomedicin."

Zheng är övertygad om att tekniken kommer att kommersialiseras, till och med till den punkt där nanotweezer kunde anpassas för användning i en smartphone-app, nästan som en modern schweizisk armékniv.

"Det är vad vi hoppas, ", sa han. "Vi ser också stora möjligheter inom uppsökande utbildning, kanske för elever som vill se hur en cell verkligen ser ut. Dessutom, det skulle kunna användas för att bedöma hur friskt ens immunförsvar fungerar. Det har potential att vara ett viktigt mobilt diagnostiskt verktyg, ge människor mer autonomi över sin egen hälsovård."