Verktyg för att manipulera små suspenderade partiklar som celler, mikropartiklar och nanopartiklar spelar en viktig roll i utvecklingen av grundläggande vetenskap och upptäckten av ny teknik. Framförallt, manipulation av material med ljus har lett till betydande genombrott inom olika områden från atomfysik till mikrobiologi och molekylär medicin. För mer än 30 år sedan, Arthur Ashkin från Bell labs föreslog först en enhet som använde fokuserat laserljus för att fånga föremål som delade på Noble Prize in Physics 2018. Dessa enheter är kända som optisk pincett och nu ett nyckelinstrument inom biologi, mjuk materiens fysik och kvantoptikforskning.

Ett stort problem med optisk pincett och andra konventionella fångsttekniker är deras oförmåga att hålla mycket små föremål, även kallad last. Föreställ dig att plocka upp saltkorn med bara ett par nålar! Det som gör det svårt är att kraften som krävs för att fånga en partikel minskar när dens storlek minskar. Det viktigaste tekniska genombrottet för att göra det möjligt för dessa optiska pincett att nå djupare in i nanoskalan och bli så kallade "nanotweezers" har varit plasmonik. När den är upplyst av ljus, ädla metalliska nanostrukturer skapar ett starkt elektromagnetiskt fält runt sig som kan attrahera och fånga in nanopartiklar som är nära.

Dock, Plasmonisk pincett har också begränsningar. Med ett begränsat spektrum av inflytande och att vara fixerad i rymden, dessa pincett kan bara fånga nanopartiklar i sin närhet. Detta gör hela fångstprocessen i sig långsam och ineffektiv för transport. Så, det är viktigt att designa en teknik som har samma effektivitet som en traditionell plasmonisk pincett men, på samma gång, är manövrerbar som en konventionell optisk pincett.

I tidigare verk (publicerad i Vetenskapsrobotik ), forskarna visade manövrerbarhet av plasmonisk pincett för första gången genom kombinerad effekt av magnetisk och optisk kraft. Dock, på grund av detta hybrida tillvägagångssätt, dessa pincett är inte tillämpliga för vissa typer av kolloider som magnetiska nanopartiklar. Det var inte heller möjligt att självständigt kontrollera dem för parallella manipulationsövningar.

I det här arbetet, publiceras i tidskriften Naturkommunikation , forskarna visar en avancerad nanomanipulationsteknik som fungerar enbart på optiska krafter och därför mångsidig till sin natur. I experimentet, de har integrerat en plasmonisk nanodisk (gjord av silver) till en dielektrisk mikrostav (gjord av glas) och manövrerat hybridstrukturen med en fokuserad laserstråle. Detta är en unik manifestation av "pincett i en pincett"-koncept där fångst och manövrering uppnås med en enda laserstråle. Dessa helt optiska nanotweezer kan köras till alla målobjekt i vilken flytande miljö som helst med exakt kontroll för att fånga, transportera och släppa laster i nanoskala så små som 40 nm (typisk längdskala för virus, DNA och olika makromolekyler) med hög hastighet och effektivitet. Forskarna visade också parallell och oberoende kontroll i manipulation med olika nanoobjekt inklusive fluorescerande nanodiamanter, magnetiska nanopartiklar med ultralåg lasereffekt som är lägre än den typiska skadetröskeln för mjuka biologiska föremål.

Denna demonstrerade teknik kan möjliggöra isolering, manipulation och montering på chipnivå av nanomaterial såsom nanokristaller, fluorescerande nanodiamanter och kvantprickar, och tillåta icke-invasiv manipulation av ömtåliga bioprover, som bakterier, virus och olika makromolekyler. Förutom att bära små föremål till olika ställen på en mikrofluidisk enhet, forskarna kan också lokalisera dem med hög rumslig upplösning och sedan ta bort dem vid behov. Denna förmåga kan öppna nya vägar inom nanoskala montering och avkänning.