Año Internacional de la Luz: micromanipulación óptica en México
Por Tania María Robles Hernández
México, DF. 17 junio de 2015 (Agencia Informativa Conacyt).- En México existen distintos grupos de investigación dedicados a estudiar la fenomenología alrededor de la micromanipulación óptica, un área científica que promete grandes avances y aplicaciones a futuro en nuestro país y en el mundo, mientras que el desarrollo tecnológico nos ha permitido obtener la capacidad de aprender sobre fenómenos cada vez más pequeños.
Laboratorio de investigación
En 2004 fue fundado el Laboratorio de Micromanipulación Óptica bajo la coordinación e investigación de las doctoras Karen Volke Sepúlveda y Rocío Jáuregui Renaud, del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). En ese recinto científico se tratan de comprender los efectos mecánicos que ocasiona la luz al incidir sobre objetos materiales expuestos a esta.
En entrevista para la Agencia Informativa Conacyt, el doctor Alejandro Vásquez Arzola, uno de los miembros fundadores de dicho laboratorio –cuando aún era estudiante de doctorado–, platicó del trabajo que realizan en la actualidad respecto a esta área de estudio.
Luz y materiales
La luz se comporta como una partícula pero también como una onda electromagnética. La incidencia de la luz sobre partículas genera energía mecánica, que se debe a la transferencia de momento lineal de los fotones (luz), generando así un cambio en la posición de la partícula (movimiento), detalló Vásquez Arzola.
Agregó que la transferencia de momento lineal es una consecuencia mecánica. “Si yo pienso en dos esferas de billar chocando una contra la otra, ahí hay una transferencia de momento lineal”, explicó.
Ahora, la fuerza generada por la luz es nula ante la vista humana; por ejemplo, al sentir la luz del sol no salimos disparados o sentimos ninguna clase de movimiento; sin embargo, al concentrar luz en regiones espaciales muy pequeñas, este efecto comienza a ser notable pero solo bajo escalas microscópicas, abundó el especialista.
Los materiales utilizados en el Laboratorio de Micromanipulación Óptica son de tamaños que van desde decenas de nanómetros hasta decenas de micras, y normalmente son usados materiales dieléctricos (no conductores) como plásticos (poliestireno), vidrios (borosilicato), aunque también se utilizan partículas metálicas. La geometría de las partículas usadas es esférica, pero se pueden utilizar con otras formas: de disco, por ejemplo.
Estos materiales, añadió el doctor Vásquez Arzola, son empleados gracias a que no tienen la capacidad de absorber la luz (se les llama transparentes), y permiten a los investigadores estudiar ciertos fenómenos como la dispersión o los efectos de reflexión y transmisión, sin que la luz sea absorbida por la partícula e incluso calentada por los láseres de luz utilizados.
Generación de fuerzas mecánicaspor medio de luz
En palabras del entrevistado, la luz empleada por los científicos debe ser la correspondiente para que el material dieléctrico utilizado no la absorba. En este caso, en el laboratorio utilizan longitudes de onda de 532 nanómetros (luz verde) y 1064 nanómetros (infrarroja).
Cabe destacar que cuando se estudian los metales es posible que se presente un calentamiento. Investigarlos permite a los especialistas indagar sobre fenómenos de dispersión y absorción, dijo Vásquez Arzola, quien es doctor en Física por la UNAM.
Añadió que el proceso por el cual se genera esta fuerza controlada comienza cuando las partículas materiales son expuestas a la luz mientras están inmersas en un fluido. Para poder observar el movimiento mecánico otorgado a la partícula por la exposición a la luz, es necesario aumentar la intensidad (cantidad de potencia o energía por unidad de área) de esta última.
Para la maximización de la intensidad de la luz se utilizan lentes; “normalmente usamos objetivos de microscopio que generarán puntos de luz muy concentrados“, detalló el investigador y agregó que al tiempo que se amplifica la intensidad de la luz, se genera un haz más puntual y por ende muy energético sobre la partícula.
El doctor Vásquez Arzola explicó que al concentrar los haces de luz se pueden observar efectos inmediatos: “Podemos ver cómo las partículas de material son empujadas por estos haces de luz. Por ejemplo, si introduces este haz de luz de manera horizontal en una suspensión de partículas simplemente las vas a empujar, a proyectarlas horizontalmente hacia una zona más lejana hacia donde se propaga el haz de luz”.
Ahora bien, bajo condiciones en las cuales las partículas dieléctricas y transparentes son expuestas a luz muy intensa –además de crear energía mecánica o movimiento que empuja a las partículas–, los mismos haces de luz las atraen hacia ellos. “Se van a crear regiones tan intensas que las partículas no nada más van a ser empujadas, sino que esta fuerza se contrarrestará con otra debido a la concentración de la luz. Entonces, las partículas son atraídas hacia estas regiones intensas”, dijo el especialista y añadió que este fenómeno es como una especie de trampa de luz tridimensional: “Le llamamos pinza óptica y es una de las aplicaciones más importantes del campo”.
Las partículas confinadas en las trampas se encuentran encerradas en campos tridimensionales que permiten a los investigadores alterar la posición de los haces, y con esto la posición de las partículas atrapadas. “Si yo puedo mover el haz de luz con mucha precisión, entonces la partícula también se moverá con esa precisión. De esa forma puedo ubicarla espacialmente en alguna región determinada con mucha precisión y sin tocarla, es decir, de manera estéril, no invasiva, sin dañarla y de forma muy precisa”, manifestó.
Aplicaciones tecnológicas y científicas
Una vez comprendidas las propiedades mecánicas de los haces de luz y de la micromanipulación óptica, se busca manipular objetos de manera controlada. “Podemos hacer que las partículas roten, entonces podemos hacer rotores, pequeñas máquinas y así generar flujos microscópicos”, agregó el científico.
El doctor Vásquez Arzola también comentó sobre las aplicaciones de este tipo de estudios, utilizados para investigación de ciencia básica y eventualmente para el área de microfluídica. “Se busca tener un gran control en el proceso de transporte de fluidos mediante pequeños canales y pequeñas bombas, al tener un control perfecto de estas condiciones que pueden funcionar incluso para análisis de material biológico a escala microscópica, reacciones químicas, etcétera”, finalizó.
Por su parte, Karen Volke Sepúlveda, ganadora de la cátedra de investigación Marcos Moshinsky en 2013 con apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt), menciona en el capítulo “La luz sobre el micromundo: un laboratorio en un chip”– del libro Fronteras de la Física en el siglo XXI – que gracias a la investigación con técnicas de micromanipulación óptica en muestras biológicas se abrieron nuevas oportunidades de investigación en disciplinas como biología celular y molecular, biotecnología, biofísica, bioquímica e incluso en medicina.
“Por ejemplo, la captura óptica ha permitido caracterizar propiedades mecánicas de sistemas biológicos, como la elasticidad de células, componentes celulares y biomoléculas aisladas como el ARN y el ADN, y entender su influencia en los aspectos funcionales”, agrega la científica en el texto mencionado.
Motor microscópico de vapor
Otro investigador del área es el doctor Pedro A. Quinto Su, líder del Laboratorio de Óptica Aplicada del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM, quien creó un motor microscópico de vapor al hacer uso de técnicas de micromanipulación y cavitación óptica.
En entrevista, explicó que esta tecnología utiliza el principio de las pinzas ópticas, que atrae a las partículas hacia donde se enfoca la luz láser. Pero, a diferencia de las pinzas ópticas tradicionales que utilizan partículas transparentes a la luz, en este proyecto las partículas utilizadas también absorben luz y se calientan incrementando la temperatura del agua.
Dichas partículas, detalló el especialista, tienen un tamaño de una a tres micras de diámetro. “Son muy pequeñas; por ejemplo, el diámetro de un cabello es de alrededor de 100 micras, mientras que el diámetro de los glóbulos rojos es cercano a las ocho micras”, abundó.
El calentamiento rápido de las partículas de un volumen pequeño de agua genera que la temperatura del líquido se eleve por arriba del punto de ebullición. Ese es un estado inestable que se relaja por medio de una explosión de vapor, agregó el científico.
Al acercarse la partícula hacia la zona en la cual la luz del láser es enfocada, el líquido que la acompaña explota generando que esta sea expulsada hacia abajo por fuerzas impulsivas. Es un proceso cíclico de oscilación de la partícula y podría compararse con un pistón microscópico, dijo el doctor en Física.
Agregó que a las explosiones dentro de un líquido también se les conoce como burbujas cavitantes y se han utilizado para muchas aplicaciones, por ejemplo para interactuar con bio y nanomateriales, y para bombear líquido. Con este tipo de burbujas se han medido propiedades elásticas de nanotubos de carbono y glóbulos rojos.
Cabe destacar que la investigación del doctor Pedro A. Quinto Su fue publicada en la revista Nature Communications con el título “A microscopic steam engine implemented in an optical tweezer”. Además, el laboratorio que lidera forma parte del Laboratorio Nacional de Materia Cuántica.
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