På bara 1/1000-dels millimeter, nanopartiklar är omöjliga att se med blotta ögat. Men, trots att den är liten, de är oerhört viktiga på många sätt. Om forskare vill ta en närmare titt på DNA, proteiner, eller virus, då är det viktigt att kunna isolera och övervaka nanopartiklar.

Att fånga dessa partiklar innebär att en laserstråle fokuseras hårt till en punkt som producerar ett starkt elektromagnetiskt fält. Denna stråle kan hålla partiklar precis som en pincett men, tyvärr, det finns naturliga begränsningar för denna teknik. Mest anmärkningsvärda är storleksbegränsningarna - om partikeln är för liten, tekniken fungerar inte. Hittills, optisk pincett har inte kunnat hålla partiklar som enskilda proteiner, som bara är några nanometer i diameter.

Nu, på grund av de senaste framstegen inom nanoteknik, forskare vid Light-Matter Interactions for Quantum Technologies Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har utvecklat en teknik för exakt infångning av nanopartiklar. I den här studien, de övervann de naturliga begränsningarna genom att utveckla en optisk pincett baserad på metamaterial – ett syntetiskt material med specifika egenskaper som inte förekommer naturligt. Detta var första gången som denna typ av metamaterial hade använts för att fånga en nanopartikel.

"Att kunna manipulera eller kontrollera dessa små partiklar är avgörande för framsteg inom biomedicinsk vetenskap, " förklarade Dr. Domna Kotsifaki, personalforskare vid OIST-enheten och första författare till forskningsartikeln publicerad i Nanobokstäver . Dr. Kotsifaki fortsatte med att förklara att fångst av dessa nanopartiklar kan göra det möjligt för forskare att se utvecklingen av cancer, att utveckla effektiva läkemedel, och för att främja biomedicinsk avbildning. "De potentiella tillämpningarna för samhället är långtgående."

Denna nya teknik har två eftertraktade förmågor - den kan stabilt fånga nanopartiklarna med hjälp av lågintensiv laserkraft och den kan användas under en lång period samtidigt som man undviker ljusskador på provet. Anledningen till detta var det metamaterial som forskarna valde att använda. Detta metamaterial är mycket känsligt för förändringar i den omgivande miljön och, därför, möjliggör användning av lågintensiv laserkraft.

"Metamaterial har ovanliga egenskaper på grund av sin unika design och struktur. Men detta gör dem mycket användbara. Under de senaste åren, en helt ny era av enheter med nya koncept och potentiella applikationer har skapats från dem, " förklarade Dr. Kotsifaki. "Från metamaterialet, vi tillverkade en rad asymmetriska delade ringar med hjälp av en stråle av joner – liten, laddade partiklar - på en 50 nm guldfilm."

För att testa om tekniken fungerade, forskargruppen belyste enheten med nära infrarött ljus och fångade 20 nm polystyrenpartiklar i vissa regioner på den.

Dr Kotsifaki och kollegor letade efter fällans stelhet, vilket är ett mått på fångstprestanda. "Den uppnådda fångstprestandan var flera gånger bättre än den för en konventionell optisk pincett och den högsta rapporterade hittills så vitt vi vet, ", förklarade hon. "Som den första gruppen att använda den här enheten för precisionsfångning av nanopartiklar, det har varit givande att bidra till sådana framsteg inom detta forskningsområde."

Forskargruppen planerar nu att justera sin enhet för att se om dessa pincett kan användas i verkliga tillämpningar. Specifikt, i framtiden, denna enhet skulle kunna användas för att skapa lab-on-chip-teknik, som är handhållna, diagnostiska verktyg som kan ge resultat effektivt och ekonomiskt. Vid sidan av dess tillämpningar inom biomedicinsk vetenskap, denna forskning har gett nya och grundläggande insikter om nanoteknik och ljusbeteende på nanoskala.