(Phys.org) - Une technique à micro-échelle connue sous le nom de piégeage optique utilise des faisceaux de lumière comme des pincettes pour retenir et manipuler de minuscules particules. Des chercheurs de Stanford ont trouvé un nouveau moyen de piéger des particules inférieures à 10 nanomètres - et potentiellement de quelques atomes seulement - qui jusqu'à présent échappaient à la portée de la lumière.

Pour saisir et déplacer des objets microscopiques, comme les bactéries et les composants des cellules vivantes, les scientifiques peuvent exploiter le pouvoir de la lumière concentrée pour les manipuler sans jamais les toucher physiquement.

Maintenant, le doctorant Amr Saleh et la professeure adjointe Jennifer Dionne, chercheurs de la Stanford School of Engineering, ont conçu une ouverture de lumière innovante qui leur permet de piéger optiquement des objets plus petits que jamais – potentiellement de quelques atomes seulement.

Le processus de piégeage optique - ou pincement optique, comme on l'appelle souvent - consiste à sculpter un faisceau de lumière en un point étroit qui produit un champ électromagnétique puissant. Le faisceau attire des objets minuscules et les emprisonne en place, comme une pince à épiler.

Malheureusement, il y a des limites naturelles à la technique. Le processus se décompose pour les objets nettement plus petits que la longueur d'onde de la lumière. Par conséquent, les pincettes optiques ne peuvent pas saisir de très petits objets comme des protéines individuelles, qui ne font que quelques nanomètres de diamètre.

Saleh et Dionne ont montré théoriquement que la lumière passant à travers leur nouvelle ouverture piégerait de manière stable des objets aussi petits que 2 nanomètres. Le dessin a été publié dans la revue Lettres nano , et Saleh est en train de construire un prototype fonctionnel de l'appareil microscopique.

Agonies d'échelle

En tant que scientifique des matériaux, Jennifer Dionne a imaginé un outil optique qui l'aiderait à déplacer avec précision les blocs de construction moléculaires dans de nouvelles configurations. "Les pincettes optiques semblaient être un moyen vraiment cool d'assembler de nouveaux matériaux, " dit-elle. Dionne est l'auteur principal du journal.

Malheureusement, les pincettes optiques existantes ne sont pas aptes à manipuler ces minuscules blocs de construction. "On sait depuis plusieurs décennies que piéger des objets de taille nanométrique avec de la lumière serait difficile, " dit Dionne.

Le problème est inhérent au faisceau lumineux lui-même. Le piégeage optique utilise généralement la lumière dans le spectre visible (avec des longueurs d'onde comprises entre 400 et 700 nanomètres) afin que les scientifiques puissent réellement voir le spécimen pendant qu'ils le manipulent.

En raison d'une contrainte physique appelée la limite de diffraction de la lumière, le plus petit espace dans lequel une pince optique peut piéger une particule est environ la moitié de la longueur d'onde du faisceau lumineux. Dans le spectre visible, cela représenterait environ 200 nanomètres – la moitié de la longueur d'onde visible la plus courte de 400 nanomètres.

Ainsi, si le spécimen en question ne mesure que 2 nanomètres de large - la taille d'une protéine typique - le piéger dans un espace de 200 nanomètres ne permet au mieux qu'un contrôle très lâche. Niveau échelle, c'est comme guider un vairon avec un filet de pêche de 20 mètres de large.

En outre, la force optique que la lumière peut exercer sur un objet diminue à mesure que les objets deviennent plus petits. "Si vous voulez piéger quelque chose de très petit, vous avez besoin d'une énorme quantité de puissance, qui brûlera votre spécimen avant que vous ne puissiez le piéger, " a déclaré Saleh.

Certains chercheurs contournent ce problème en attachant le spécimen à un objet beaucoup plus gros qui peut être traîné avec la lumière. Dionne a noté, cependant, que des molécules importantes comme l'insuline ou le glucose pourraient se comporter très différemment lorsqu'elles sont attachées à des ancres géantes qu'elles ne le feraient seules. Pour isoler et déplacer un petit objet sans le faire frire, les chercheurs avaient besoin d'un moyen de contourner les limitations du piégeage optique conventionnel.

La promesse de la plasmonique

Dionne dit que la méthode la plus prometteuse pour déplacer de minuscules particules avec la lumière repose sur la plasmonique, une technologie qui tire parti des propriétés optiques et électroniques des métaux. Un conducteur fort comme l'argent ou l'or retient faiblement ses électrons, leur donnant la liberté de se déplacer près de la surface du métal.

Lorsque les ondes lumineuses interagissent avec ces électrons mobiles, ils se déplacent dans ce que Dionne décrit comme « un très bien défini, danse complexe, " diffuser et sculpter la lumière en ondes électromagnétiques appelées plasmons-polaritons. Ces oscillations ont une longueur d'onde très courte par rapport à la lumière visible, leur permettant de piéger plus étroitement les petits spécimens.

Dionne et Saleh ont appliqué les principes plasmoniques pour concevoir une nouvelle ouverture qui focalise la lumière plus efficacement. L'ouverture est structurée un peu comme les câbles coaxiaux qui transmettent les signaux de télévision, dit Saleh. Un tube nanométrique d'argent est recouvert d'une fine couche de dioxyde de silicium, et ces deux couches sont enveloppées dans une deuxième couche externe d'argent. Lorsque la lumière brille à travers l'anneau de dioxyde de silicium, il crée des plasmons à l'interface où l'argent et le dioxyde de silicium se rencontrent. Les plasmons voyagent le long de l'ouverture et émergent à l'autre extrémité comme un puissant, faisceau de lumière concentré.

L'appareil de Stanford n'est pas le premier piège plasmonique, mais il promet de piéger les plus petits spécimens enregistrés à ce jour. Saleh et Dionne ont théoriquement montré que leur conception peut piéger des particules aussi petites que 2 nanomètres. Avec d'autres améliorations, leur conception pourrait même être utilisée pour piéger optiquement des molécules encore plus petites.

Un multi-outil optique

Au fur et à mesure que les outils à l'échelle nanométrique disparaissent, ce nouveau piège optique serait un gadget assez polyvalent. Alors que les chercheurs l'ont d'abord envisagé dans le contexte de la science des matériaux, ses applications potentielles couvrent de nombreux autres domaines dont la biologie, pharmacologie, et la génomique.

Dionne a dit qu'elle aimerait d'abord piéger une seule protéine, et essayez de démêler sa structure tordue en utilisant uniquement la lumière visible. Dionne souligne que le faisceau lumineux pourrait également être utilisé pour exercer une forte force de traction sur les cellules souches, qui a été montré pour changer la façon dont ces blocs de construction importants se différencient en différents types de cellules. Saleh, d'autre part, est particulièrement enthousiaste à l'idée de déplacer et d'empiler de minuscules particules pour explorer leurs forces d'attraction et créer de nouvelles, matériaux et dispositifs « de bas en haut ».

Tout cela est sur la route, toutefois. En attendant, Saleh travaille à transformer le design en réalité. Il espère avoir un prototype d'ici début 2013.