3-dimensional plasmonic nanomotors enabled by independent integration of Optical Pulling and Lateral Forces

Imagina un mundo donde la luz no solo ilumina las cosas, sino que también las empuja y las tira como manos invisibles. Este es el reino de la manipulación óptica, una rama de la física donde los científicos utilizan el diminuto impulso de los fotones para mover objetos microscópicos. Es posible que hayas oído hablar de las "pinzas ópticas", que utilizan haces de láser intensamente enfocados para agarrar y sostener partículas diminutas, de forma muy parecida a un par de pinzas hechas de luz. Sin embargo, estas herramientas suelen tener un alcance corto y tienen dificultades para atraer los objetos hacia la fuente de luz; son mejores empujando las cosas hacia afuera. Aunque los científicos han descubierto cómo hacer que las máquinas diminutas se muevan de lado a lado mediante la luz, lograr que viajen hacia adelante y hacia atrás a lo largo de la trayectoria del haz —especialmente contra el empuje natural de la luz— ha sido un rompecabezas persistente. Resolver esto cambiaría las reglas del juego para la construcción de robots microscópicos que podrían navegar por fluidos, mezclar productos químicos o entregar carga dentro del cuerpo sin necesidad de baterías o cables.

En este estudio, los investigadores Guillermo Serrera, Yoshito Y. Tanaka y Pablo Albella han diseñado un "nanomotor" teórico que finalmente puede hacer lo imposible: moverse de forma independiente en tres dimensiones utilizando la luz. Crearon un diminuto bote de vidrio cilíndrico que puede ser tirado hacia adelante por un tipo especial de haz de láser, mientras que simultáneamente posee pequeñas "velas" metálicas acopladas que le permiten maniobrar hacia la izquierda o la derecha con otro tipo de luz. El equipo utilizó simulaciones por computadora para demostrar que este diseño funciona, mostrando que el motor puede ser tirado, empujado o dirigido simplemente cambiando el color o la polarización de la luz que incide sobre él. Lo más importante es que descubrieron que este diminuto bote es sorprendentemente estable; incluso si se tambalea o se desvía de su curso debido al jaleo aleatorio de las moléculas de agua, las fuerzas de la luz lo guían suavemente de vuelta a su trayectoria, permitiéndole viajar sin problemas a través de largas distancias.

El tira y afloja invisible

Para entender cómo funciona este nanomotor, imaginemos un pequeño cilindro de vidrio flotando en agua, aproximadamente del tamaño de una bacteria. Normalmente, si apuntas con una linterna a un bote, la luz rebota y empuja el bote hacia afuera. Este es el efecto de "empuje" de la luz, que es fácil de entender. Pero los científicos querían crear una fuerza de "tracción", donde la luz agarre el bote y lo arrastre hacia la fuente. Esto es contraintuitivo, como intentar tirar de un trineo hacia ti iluminándolo con una linterna.

Para lograr esto, los investigadores utilizaron un haz de láser especial llamado haz de Bessel con polarización azimutal. Imagina el haz de una linterna normal como un cono sólido de luz. Un haz de Bessel es diferente; parece un anillo de luz con un centro oscuro, y puede viajar una larga distancia sin dispersarse. Cuando este haz específico en forma de anillo golpea el cilindro de vidrio, algo mágico sucede. La luz entra en el vidrio, rebota dentro como una onda en una tubería, y sale de tal manera que "colima" o endereza la luz. Este cambio en la dirección de la luz crea un efecto de retroceso que tira del cilindro hacia atrás, hacia el láser. El equipo descubrió que para que esto funcione mejor, el cilindro debe tener una longitud y un ancho específicos, y el láser debe incidir en un ángulo determinado. En sus simulaciones, un cilindro con una longitud de 3 micrómetros y un diámetro de 1,77 micrómetros podía ser tirado con una fuerza de -1,2 piconewtons (un piconewton es una trillonésima parte de un newton, una fuerza tan pequeña que es difícil de imaginar, pero enorme para algo tan diminuto).

Las velas de dirección

Ahora, imagina que este cilindro de vidrio es un bote, pero solo puede moverse hacia adelante o hacia atrás. ¿Cómo hacemos para que gire a la izquierda o a la derecha? Los investigadores añadieron una segunda capa de tecnología: dímeros plasmónicos. Estos son pares de diminutos bastones de oro, con forma de remos en miniatura, incrustados dentro del cilindro de vidrio.

Piensa en estos bastones de oro como velas que solo atrapan el viento cuando el viento sopla desde una dirección específica. Cuando los investigadores proyectan una onda de luz plana estándar (una onda plana) sobre el nanomotor, los bastones de oro dispersan la luz de manera desigual. Si la luz está polarizada (orientada) en una dirección, los bastones empujan el bote lateralmente. Si rotas la polarización de la luz, el bote maniobra en la dirección opuesta. El equipo simuló que estos bastones podrían generar fuerzas laterales de unos 0,1 piconewtons, lo cual es suficiente para superar el jaleo aleatorio de las moléculas de agua (movimiento browniano) y mover el bote de manera constante.

La parte ingeniosa del diseño es que estos dos sistemas no se estorban entre sí. Los bastones de oro están orientados perpendicularmente al haz de Bessel especial utilizado para la tracción. Esto significa que el haz de tracción pasa directamente a través de los bastones sin activarlos, por lo que el bote puede ser tirado hacia adelante sin que los bastones se interpongan en el camino. Por el contrario, cuando se utiliza la onda de luz plana para la dirección, esta no interfiere con el mecanismo de tracción. Es como tener un motor que impulsa el coche hacia adelante y un volante separado que lo gira, con ambos controlados por llaves diferentes.

Estabilidad en un mundo inestable

Uno de los mayores desafíos para las máquinas diminutas es la estabilidad. En el agua, las cosas chocan constantemente entre sí y se sacuden de un lado a otro. Si el haz de luz está ligeramente descentrado, o si el bote se inclina, ¿se perderá? Los investigadores realizaron miles de simulaciones por computadora para ver cómo se comportaría su nanomotor a lo largo del tiempo.

Descubrieron que el sistema es increíblemente robusto. Incluso si el bote se desvía entre 150 y 200 nanómetros del centro del haz, o si se inclina hasta 20 grados, las fuerzas de la luz actúan como un resorte suave, empujando y retorciendo el bote de vuelta al centro. Las simulaciones mostraron que el bote oscilaría de un lado a otro alrededor del centro del haz, pero permanecería atrapado en la "zona de tracción". Durante un tiempo simulado de 1 segundo, los nanomotores recorrieron distancias de aproximadamente 11 a 18 micrómetros. Aunque esto suena corto, es en realidad muchas veces la longitud del propio bote, lo que significa que se mueve a una velocidad decente para su tamaño.

El equipo también observó que el movimiento del bote es tan estable que puede manejar el caos aleatorio del agua sin salir despedido. Los "pozos de potencial" creados por las fuerzas de la luz son lo suficientemente profundos (más de 10 veces la energía del jaleo térmico) como para mantener al bote en su trayectoria. Esto sugiere que, en un escenario del mundo real, estos nanomotores podrían ser lo suficientemente fiables como para realizar tareas como mezclar fluidos o mover carga en un dispositivo de laboratorio en un chip.

Lo que esto significa

Este artículo no solo sugiere una idea genial; proporciona un plano teórico detallado para un nanomotor 3D que puede controlarse de forma independiente en todas las direcciones. Los investigadores descartaron explícitamente la idea de que se necesitan haces complejos de corto alcance o burbujas internas para obtener fuerzas de tracción; en su lugar, demostraron que un simple cilindro de vidrio y un haz de láser específico pueden hacer el trabajo. También demostraron que no es necesario sacrificar la potencia de tracción para obtener la capacidad de dirección; ambas pueden coexistir en el mismo objeto diminuto.

Si bien este trabajo es actualmente una simulación y aún no se ha construido en un laboratorio, los materiales sugeridos (como el vidrio, el SU-8 o el óxido de aluminio) y las técnicas de fabricación (como la litografía de haz de electrones) son todas cosas que los científicos pueden hacer hoy en día. Los autores confían en que, con la configuración adecuada, este diseño podría abrir una nueva era de robótica microscópica, donde la luz actúa tanto como el motor como el volante, guiando a las máquinas diminutas a través de los complejos fluidos de nuestro mundo.