Las nanopartículas cilíndricas tienen predilección por la orientación vertical

Las pinzas ópticas (optical tweezers, en inglés) son una herramienta que permite atrapar y manipular objetos muy pequeños, suspendidos en agua o aire, empleando, para ello, luz.

Para llevar a cabo este cometido, es necesario un haz láser, que se focaliza mediante un objetivo de microscopio. La luz focalizada ejerce fuerza sobre los objetos debido a la interacción existente entre el campo electromagnético de la luz y la materia que conforma el objeto. Estas fuerzas hacen que el objeto atrapado quede encerrado en un pozo (o trampa óptica) del que no puede salir.

Una vez atrapado, el objeto puede ser manipulado con gran precisión, ya que seguirá a la trampa, siempre y cuando ésta se desplace a distancias muy pequeñas, como si empleásemos unas pinzas convencionales.

Gracias a su elevado potencial y a las diversas posibilidades que ofrece, esta herramienta se utiliza con bastante frecuencia, en física y biología, para el estudio de fenómenos que no son accesibles mediante métodos convencionales.

Desde su descubrimiento, las pinzas ópticas han sido empleadas para atrapar y manipular gran variedad de objetos de reducido tamaño: desde pequeñas partículas de oro y otros materiales hasta células, bacterias y virus.

En el caso de determinadas nanopartículas, como los cilindros nanométricos, resulta imprescindible conocer su orientación para poder llevar a cabo su correcta manipulación y posterior aplicación en dispositivos. Hasta ahora, conocer esa orientación era imposible.

Recientemente, un grupo internacional de investigadores, dirigido por Patricia Haro (Universidad Autónoma de Madrid, UAM), ha logrado determinar cómo se orientan las partículas con forma cilíndrica, denominadas nanorods, cuando éstas son atrapadas, empleando, para ello, unas pinzas ópticas.

Los nanorods están hechos de un material capaz de generar luz visible (luz roja) cuando se les excita mediante luz infrarroja. El mecanismo de generación de luz es similar (aunque no se trata del mismo fenómeno) al que hace brillar en la oscuridad, por ejemplo, las señales de salida. Esta peculiaridad hace que, al ser atrapadas utilizando para ello un haz láser infrarrojo, las nanopartículas brillen. La luz generada (luminiscencia) puede ser usada para obtener información sobre la partícula atrapada si ésta se detecta y analiza con el aparato correspondiente (espectrómetro).

“Al estudiar cómo variaba la luminiscencia de un nanorod depositado sobre una superficie, observamos que el espectro de la luz emitida con polarización paralela al del eje mayor del nanorod, difiere de la polarizada en la dirección perpendicular a este eje”, explica Patricia Haro, investigadora del Departamento de Física de Materiales de la UAM y coautora del trabajo.

Al realizar un estudio análogo, aunque en esta ocasión con un nanorod atrapado en agua, obtuvieron que los espectros de emisión correspondían siempre al medido para una polarización perpendicular al eje del cilindro. “Estos resultados determinan que los nanorods se atrapan de manera vertical, con el eje mayor paralelo al haz láser”, señala la Dra. Haro.

También en horizontal

Una vez conocida la orientación en la que se atrapan los nanorods, los investigadores se plantearon la posibilidad de manipular estas nanopartículas, empleando dos trampas en lugar de una sola.

Para ello, focalizaron dos haces láser independientes, empleando un único objetivo. En este caso, se vio que el nanorod podía atraparse con las dos trampas a la vez, de tal manera que cada trampa sujetaba un extremo del nanorod. De esta manera, la nanopartícula quedaba atrapada horizontalmente, con su eje mayor perpendicular a los haces láser. “Esta nueva configuración permite rotar al nanorod si se mueve una trampa respecto a la otra”, subraya Patricia Haro.

En conclusión, puede determinase la orientación de los nanorods cuando éstos son atrapados ópticamente mediante el estudio de la luminiscencia que generan cuando son excitados mediante el haz infrarrojo que los ha atrapado.

Este estudio ha sido financiado por el Ministerio de Educación y Ciencia (MAT2013-47395-C4-1-R) y ha sido realizado en colaboración con científicos de la Wrocław University of Science and Technology (Poland) y la Heriot Watt University (United Kingdom).

El trabajo fue presentado al Certamen Universitario Arquímedes 2015, siendo premiado con el Premio Especial Conmemorativo del “Año Internacional de la Luz y las Tecnologías basadas en la Luz”.

Recientemente, fue presentado de forma oral en el congreso internacional 1^st Conference and Spring School on Properties, Design and Applications of Upconverting Nanomaterials por la coautora Paloma Rodríguez.

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Referencia bibliográfica:

P. Rodríguez-Sevilla, L. Labrador-Páez, D. Wawrzynczyk, M. Nyk, M. Samoc, A. K. Kar, M. D. Mackenzie, L. Paterson, D. Jaque & P. Haro-González. Determining the 3D orientation of optically trapped upconverting nanorods by in situ single-particle polarized spectroscopy. Nanoscale. Doi: 10.1039/C5NR06419H

Imagen: Cuando se usa una sola trampa óptica (izquierda), el nanorod queda atrapado verticalmente. Al utilizar dos trampas (derecha), el nanorod queda atrapado horizontalmente y puede ser rotado si una de las trampas se mueve alrededor de la otra | UAM Gazette