Des outils de manipulation de petites particules en suspension telles que des cellules, les micro-particules et les nanoparticules jouent un rôle essentiel dans l'avancement de la science fondamentale et la découverte de nouvelles technologies. Surtout, la manipulation de matériaux avec la lumière a conduit à des percées importantes dans divers domaines, de la physique atomique à la microbiologie et à la médecine moléculaire. Il y a plus de 30 ans, Arthur Ashkin des laboratoires Bell a d'abord proposé un appareil qui utilisait une lumière laser focalisée pour piéger des objets qui ont partagé le prix Noble de physique en 2018. Ces appareils sont connus sous le nom de pincettes optiques et maintenant un instrument clé en biologie, recherche en physique de la matière molle et en optique quantique.

Un problème majeur rencontré avec les pincettes optiques et autres techniques de piégeage conventionnelles est leur incapacité à retenir des objets de très petite taille, aussi appelé fret. Imaginez ramasser des grains de sel en utilisant seulement une paire d'aiguilles ! Ce qui le rend difficile, c'est que la force nécessaire pour capturer une particule diminue à mesure que sa taille diminue. La percée technologique clé pour permettre à ces pincettes optiques d'atteindre plus profondément l'échelle nanométrique et de devenir ce qu'on appelle des « nanotweezers » a été la plasmonique. Lorsqu'il est éclairé par la lumière, les nanostructures métalliques nobles créent autour d'elles un champ électromagnétique puissant qui peut attirer et piéger les nanoparticules proches.

Cependant, les pincettes plasmoniques ont également des limites. Avec un rayon d'influence limité et étant fixé dans l'espace, ces pincettes ne peuvent capturer que des nanoparticules à proximité. Cela rend l'ensemble du processus de piégeage intrinsèquement lent et inefficace pour le transport. Donc, il est important de concevoir une technique qui a l'efficacité d'une pince à épiler plasmonique traditionnelle mais, à la fois, est maniable comme une pince à épiler optique conventionnelle.

Dans des travaux antérieurs (publiés dans Robotique scientifique ), les chercheurs ont montré pour la première fois la maniabilité des pincettes plasmoniques par l'effet combiné de la force magnétique et optique. Cependant, grâce à cette approche hybride, ces pincettes ne sont pas applicables pour certains types de colloïdes tels que les nanoparticules magnétiques. Il n'était pas non plus possible de les contrôler indépendamment pour des exercices de manipulation parallèles.

Dans ce travail, publié dans la revue Communication Nature , les chercheurs démontrent une technique de nanomanipulation avancée qui fonctionne uniquement sur les forces optiques et donc de nature polyvalente. Dans l'expérience, ils ont intégré un nanodisque plasmonique (en argent) à une microtige diélectrique (en verre) et ont manœuvré la structure hybride avec un faisceau laser focalisé. Il s'agit d'une manifestation unique du concept "pince dans une pince à épiler" où le piégeage et la manœuvre sont réalisés avec un seul faisceau laser. Ces nanopinces tout optiques peuvent être dirigées vers n'importe quel objet cible dans n'importe quel environnement fluidique avec un contrôle précis pour capturer, transporter et libérer des cargaisons à l'échelle nanométrique aussi petites que 40 nm (échelle de longueur typique du virus, ADN et diverses macromolécules) avec une vitesse et une efficacité élevées. Les chercheurs ont également montré un contrôle parallèle et indépendant de la manipulation avec divers nano-objets, notamment des nanodiamants fluorescents, nanoparticules magnétiques avec une puissance laser ultra-faible qui est inférieure au seuil d'endommagement typique des objets biologiques mous.

Cette technologie démontrée peut permettre l'isolement, manipulation et assemblage au niveau puce de nanomatériaux tels que les nanocristaux, nanodiamants fluorescents et points quantiques, et permettre la manipulation non invasive de bio-échantillons fragiles, comme les bactéries, virus et diverses macromolécules. En plus de transporter de petits objets à divers endroits d'un dispositif microfluidique, les chercheurs peuvent également les localiser avec une haute résolution spatiale puis les emporter si nécessaire. Cette capacité peut ouvrir de nouvelles voies dans l'assemblage et la détection à l'échelle nanométrique.