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(Foco Nanowerk) La capacidad de posicionar con precisión partículas microscópicas en configuraciones tridimensionales útiles ha sido durante mucho tiempo un objetivo en campos que van desde la ciencia de materiales y la fotónica hasta la detección biológica y la administración de fármacos. Las partículas coloidales, que son pequeñas partículas suspendidas en un medio, pueden servir como componentes básicos para materiales y dispositivos de ingeniería avanzada si pueden manipularse y ensamblarse con suficiente control.
La búsqueda de un control preciso de partículas en 3D
A lo largo de los años, los científicos han desarrollado varias técnicas para abordar este desafío. Los métodos de autoensamblaje se basan en la tendencia natural de las partículas a organizarse en estructuras ordenadas, pero ofrecen una capacidad de ajuste limitada. Los enfoques de fabricación de arriba hacia abajo, como la litografía, permiten crear patrones precisos, pero a menudo se limitan a geometrías planas. Y aunque las pinzas ópticas, que utilizan rayos láser enfocados para capturar y mover partículas, permiten un control dinámico en tres dimensiones, las partículas se mantienen en su lugar sólo gracias a la luz láser; una vez apagada, el movimiento browniano hace que se separen.
A pesar de décadas de progreso, sigue siendo difícil encontrar un método flexible para ensamblar partículas en estructuras 3D estables y reconfigurables. Pero ahora un equipo de investigación de la Universidad de Texas en Austin puede haber encontrado una solución. Combinando la captura óptica con un material de cambio de fase inteligentemente diseñado, han desarrollado una plataforma para manipular partículas coloidales con una versatilidad sin precedentes, a la que llaman » Manipulación optotérmica mediante cambio de fase. (OMPC).
La principal innovación de OMPC radica en el medio que rodea las partículas. En lugar de un simple líquido, los investigadores utilizan un gel especial hecho de moléculas tensioactivas que se autoensamblan en una estructura sólida pero reconfigurable. Esta matriz tiene una propiedad notable: cuando se calienta con un láser enfocado, cambia localmente de un estado rígido de «coagulante» a una fase de «gel» más suave en la trayectoria del haz. Al mover el foco láser, esta transición de fase se puede inducir en puntos arbitrarios para controlar dinámicamente la rigidez del medio en tres dimensiones.
Un gran avance en la manipulación optotérmica
Como se describe en su artículo publicado en ACS Nano (“Manipulación optotérmica tridimensional de partículas absorbentes de luz en medios de gel de cambio de fase”), los científicos utilizan este cambio de fase reversible inducido por láser para la manipulación optotérmica.
«Cuando el haz se enfoca en una partícula que absorbe luz, la partícula se calienta, derritiendo el gel circundante y permitiendo que las fuerzas ópticas la muevan a una nueva posición», explica a Nanowerk el profesor Yuebing Zheng, investigador principal de este trabajo. “Cuando se apaga el láser, el gel se solidifica nuevamente y fija las partículas en su lugar. Al capturar, mover e inmovilizar partículas de forma iterativa, se pueden construir configuraciones complejas pieza por pieza”.
Zheng y su equipo demuestran diferentes tipos de manipulación de partículas utilizando OMPC, incluido empujar partículas a lo largo de la trayectoria del haz, atraerlas hacia el foco y “empujar” partículas hacia los lados. En comparación con las técnicas existentes, como las pinzas ópticas en medios líquidos, este nuevo método ofrece la ventaja única de poder mantener las partículas en su lugar de manera estable después de apagar el láser. El medio gel evita que el movimiento browniano destruya las estructuras ensambladas, lo que permite configuraciones más complejas y duraderas.
Muestran la construcción de redes cúbicas 3D, patrones reconfigurables e incluso partículas que se deslizan por la superficie de una esfera más grande. Es importante destacar que el medio gel mantiene las estructuras fabricadas durante largos períodos de tiempo, evitando así las interrupciones que se producen con el ensamblaje a base de líquido. El equipo informa que las partículas permanecieron en su posición ensamblada durante más de 120 días, lo que demuestra la estabilidad a largo plazo de este enfoque.
Más allá de los patrones espaciales, el equipo también está explorando el uso de su técnica OMPC para controlar la interacción de nanoestructuras con materiales 2D. Al subir y bajar una partícula de silicio sobre una monocapa de diseleniuro de tungsteno, pueden ajustar la fuerza y el perfil espectral de la emisión de luz del material 2D. Esta capacidad podría utilizarse para detección óptica, emisión de luz y otras aplicaciones nanofotónicas.
Una amplia gama de posibles aplicaciones.
Las implicaciones de este trabajo se extienden a una amplia gama de aplicaciones potenciales. En fotónica, la capacidad de ensamblar redes tridimensionales de partículas dieléctricas podría permitir la creación de cristales fotónicos con bandas prohibidas sintonizables y metamateriales ópticos con propiedades exóticas. Las nanoestructuras reconfigurables también podrían encontrar uso en óptica adaptativa y lentes sintonizables. En el campo de la detección biológica, el posicionamiento preciso de partículas coloidales funcionalizadas con biomoléculas como anticuerpos o enzimas podría conducir a biosensores avanzados con mayor sensibilidad y especificidad. Y en el contexto de la administración de fármacos, la manipulación óptica de nanoportadores cargados de fármacos podría proporcionar un medio para terapias dirigidas.
Si bien el trabajo actual proporciona una prueba de concepto impresionante, los científicos señalan que todavía hay margen de mejora. «La flexibilidad de la técnica OMPC está actualmente limitada por el posicionamiento manual de un único rayo láser, que podría ampliarse en el futuro con control automatizado y algoritmos de manipulación de múltiples haces», señala Zheng. «La exploración de una gama más amplia de materiales de gel también podría ampliar los rangos de temperatura alcanzables y las compatibilidades de partículas».
Los investigadores también reconocen los desafíos que deben abordarse para aplicaciones prácticas. Las ondas del tamaño de un micrómetro en el medio de gel y la precisión del posicionamiento del láser limitan actualmente la manipulación de partículas por debajo de 500 nm. Optimizar la síntesis de gel e implementar un control de retroalimentación de circuito cerrado podría ayudar a superar estas limitaciones. El equipo también señala que se necesita más trabajo para permitir la traducción y rotación simultáneas de estructuras de alta relación de aspecto, como los nanocables.
De cara al futuro, el equipo está explorando múltiples opciones para hacer avanzar la plataforma OMPC. Se están realizando esfuerzos para automatizar el proceso de ensamblaje de partículas utilizando algoritmos de retroalimentación basados en imágenes, lo que podría aumentar significativamente la velocidad y la complejidad de las estructuras que se pueden realizar. También están investigando el uso de múltiples rayos láser para la manipulación paralela y la instalación de moduladores de luz espaciales para la conformación dinámica del haz. Ampliar la biblioteca de materiales compatibles, incluidos polímeros que responden a estímulos y cristales líquidos, es otra área de investigación activa.
«En el contexto más amplio de la nanotecnología, nuestro trabajo representa un paso emocionante hacia el objetivo de la materia programable: la idea de que los materiales pueden diseñarse para reconfigurarse dinámicamente en respuesta a estímulos externos», concluye Zheng. «Al permitir que los bloques de construcción microscópicos se monten y desmonten de forma reversible según demanda, esta técnica de manipulación optotérmica nos acerca un paso más a hacer realidad esta visión».
Al combinar la precisión de la captura óptica con la estabilidad de los medios de cambio de fase, este trabajo agrega una nueva e importante herramienta a la caja de herramientas de la nanotecnología. Si bien todavía queda mucho trabajo por hacer para explotar plenamente las capacidades de OMPC, esto representa un emocionante paso adelante en nuestra capacidad de producir micro y nanoestructuras funcionalizadas bajo demanda. A medida que avanza la investigación en esta área, podemos esperar un futuro en el que las nanoestructuras 3D reconfigurables se utilicen de forma rutinaria para ampliar los límites de la ciencia de los materiales, la fotónica, la biología y más.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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