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Giovanni Volpe

Optics & Photonics Focus

Pinzas ópticas: la luz que atrapa

22 de marzo del 2010


Foto: ICFO
Imaginad un láser rojo que sujeta un robot inacabado. Mientras tanto, un láser verde corta a partir de un armazón metálico un componente perfectamente modelado para funcionar como su brazo. El robot es ensamblado por un arco iris de luces, casi sin ningún contacto físico. Una vez está listo, es liberado y los rayos de luz empiezan a montar el siguiente robot.

Esta escena puede parecer más apropiada para el escenario de una película de ciencia ficción. Sin embargo, está cada día más cerca de ser una realidad para objetos microscópicos gracias a las investigaciones en el campo de la manipulación óptica.

El instrumento clave son las pinzas ópticas. Producirlas es sorprendentemente sencillo: se coge un rayo láser, tan sólo un poco más potente que el de un puntero láser convencional; se enfoca con ayuda de una lente parecida a la de un microscopio; y ya se pueden empezar a capturar células y partículas en suspensión.

Hace tiempo que se sabe que la luz puede ejercer una fuerza. Como mínimo desde 1619, cuando Kepler explicó en De Cometis que la cola de los cometas apuntaba en dirección contraria a la del sol debido a que la luz solar arrancaba partículas del núcleo cometario. Sin embargo, fue a finales del siglo XIX cuando Maxwell formuló la teoría del electromagnestismo y predijo que la luz generaba una fuerza proporcional a su intensidad. Esta fuerza podía transmitirse a objetos iluminados, produciendo una presión que empujaba los objetos en la dirección de la propagación de la luz.

Se realizaron algunos experimentos para comprobar las teorías de Maxwell. Al principio del siglo XX, Nichols y Hull en Estados Unidos y Lebedev en Rusia detectaron con éxito los resultados de la presión lumínica sobre objetos macroscópicos. Observaron que, cuando la luz se reflejaba en un espejo, éste sufría un cierto empuje. No obstante, esos efectos eran tan pequeños que era muy difíciles de detectar. Citando el discurso de J. H. Poynting a la  British Physical Society en 1905: “Cualquier pequeña experiencia en tratar de detectar esas fuerzas le hace a uno darse cuenta de su nimiedad; una nimiedad que parece descartarlas para asuntos terrestres”.

La invención del láser en los años 60 produjo un cambio sustancial. Los láseres han alterado nuestro modo de vida y hoy en día los encontramos en todas partes, desde los lectores de códigos de barras a las mesas de operaciones. Los láseres concentran en una área muy pequeña una intensidad de luz muy grande. Este hecho permitió a Ashkin en 1970 mover partículas microscópicas usándolos. En 1986 se inventaron las pinzas láser: un rayo de luz concentrado que permite sujetar estas pequeñas partículas. Por cierto que uno de los colaboradores de Ashkin, Steven Chu, usaría las pinzas láser en su trabajo consistente en enfriar y atrapar átomos. Su investigación, junto a la de  Claude Cohen-Tannoudji y William Daniel Phillips, recibió el premio Nobel de física en 1997.

A finales de 1980, la nueva tecnología se aplicó a las ciencias biológicas. Se empezó por atrapar al virus del mosaico del tabaco y a la bacteria  Escherichia coli. A principios de los 90 fue posible observar la dinámica de motores nanométricos a nivel molecular (como, por ejemplo, el motor molecular que las bacterias usan para propulsarse usando los flagelos).

A principios del tercer mileno hemos llegado al punto en que la manipulación óptica puede manejar partículas y moléculas individuales. Probablemente durante los próximas años será posible ordenar las moléculas para construir nanorobots. La escena que describimos al principio puede ser pronto realidad.

Artículo adaptado de "A Nano-Firefly in the Trap"
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