Sábado por la tarde. Enciendes la televisión y te encuentras con una película de unos extraterrestres viajando en su platillo volador alrededor de la Tierra. Su vehículo se detiene sobre unos pastizales y con una luz brillante que sale de su máquina voladora succionan a una vaca. Al final de la película la vaca salva a la Tierra, sin embargo, eso no fue lo más interesante de la historia, lo que captó tu atención fue aquel rayo de luz capaz de atrapar vacas. La pregunta inmediata que vino a tu mente es si existe algún rayo tractor que permita mover objetos sin tocarlos.
Lamentablemente, en la vida real no existe un rayo tractor capaz de atrapar vacas, personas u objetos inmensos como se muestra en diversas películas o series de ciencia ficción como Star Trek. No obstante, los científicos sí han desarrollado un arreglo óptico que permite que un rayo de luz láser pueda atrapar objetos microscópicos como células o bacterias. Este dispositivo se conoce como pinza óptica.
La luz tiene muchas propiedades físicas que la hacen única. Por ejemplo, se le puede asociar un color, así encontramos luz de color azul, anaranjada o violeta, por mencionar algunos. Además, es bien sabido que la luz transporta energía; cuando te asoleas sientes que la luz del Sol quema tu piel, en este caso la luz transfiere su energía a las moléculas de la piel haciendo que se calienten.
También hay propiedades un poco más extrañas y que no son tan familiares para nosotros, una de ellas es que la luz puede ejercer fuerza mecánica sobre los objetos. ¡Sí!, la luz puede mover objetos. La limitante aquí es que esa fuerza es muy débil, por lo que sólo puede mover objetos muy pequeños, del tamaño de una célula.
¿Cómo se hace para que la luz pueda atrapar una célula?
La luz está compuesta por partículas llamadas fotones. En un esquema simplificado, podemos pensar a la luz como una inmensa cantidad de fotones que llegan a un objeto. Al interactuar con el objeto, estos se pueden reflejar o refractar, dependiendo de las características ópticas del material. Por ejemplo, en un espejo una multitud de fotones chocan con la superficie de este y se reflejan; al cambiar de dirección, los fotones transfieren cantidad de movimiento (momento lineal) al espejo, y como consecuencia su cantidad de movimiento cambia. Algo similar ocurre cuando los fotones atraviesan un vaso de vidrio, pero en este caso los fotones se refractan en lugar de reflejarse, sin embargo, también cambian de dirección, modificando su cantidad de movimiento.
Todo cambio en la cantidad de movimiento da como resultado una fuerza, y para toda fuerza aplicada existe una fuerza en dirección contraria (tercera ley de Newton). Por lo tanto, los fotones ejercen fuerza mecánica sobre los objetos, sin embargo, estas fuerzas son tan débiles que son imperceptibles para las personas y los objetos cotidianos. Cuando la luz interactúa con un objeto muy pequeño, del orden de micrómetros (micropartículas, células o bacterias), la fuerza ejercida por la luz es suficiente para poder “empujarlo”.
Una pinza óptica consta de un rayo láser que está enfocado en una región espacial muy pequeña, esto ayuda a concentrar los fotones y así tener más de estos que choquen con un objeto (micropartícula), generando más fuerza sobre él. El arreglo óptico utilizado en una pinza óptica no sólo hace que la luz empuje al objeto, sino que se crea una zona de equilibrio de fuerzas en el centro del rayo láser enfocado, donde la suma de las fuerzas es cero, confinando la micropartícula en esa zona. Es decir, la partícula queda atrapada en el centro del rayo láser. Si se mueve el rayo láser, entonces se puede hacer que la micropartícula también se mueva. Si muevo el láser a la izquierda, la partícula se mueve a la izquierda; si muevo el láser hacia arriba, la partícula va hacia arriba; si muevo el láser en círculos, entonces la partícula se mueve en círculos. De cierta forma podríamos describir a las pinzas ópticas como una versión miniatura del rayo tractor de las películas.
Las pinzas ópticas tienen un gran número de aplicaciones, pero sus mayores aportaciones han sido en el campo de la biología celular y molecular. Con una pinza óptica es posible atrapar células o bacterias de diferentes formas o tamaños. Una de las grandes ventajas de las pinzas ópticas es que con ellas se pueden estudiar células sin dañarlas.
Además, una vez atrapados, estos microorganismos se pueden estudiar con técnicas complementarias que dan información acerca de su composición, funcionamiento o comportamiento.
Con las pinzas ópticas actuales es posible tener más de una trampa óptica a la vez, atrapando varias células y estudiarlas todas al mismo tiempo. Las pinzas ópticas también han sido utilizadas ampliamente para estudiar moléculas como el ADN. Por ejemplo, si se pega una cadena de ADN a una micropartícula, y esta es atrapada con una pinza óptica, entonces es posible estirar el ADN y medir sus propiedades mecánicas sin dañarlo.
Más de 30 años después de su aparición, las pinzas ópticas se han convertido en una herramienta fundamental para diversos campos científicos. Sus aplicaciones son muy amplias y se siguen descubriendo nuevos usos de esta poderosa herramienta. En el futuro veremos mejoras y nuevas aplicaciones que ayudarán a los científicos en su labor diaria.
En el laboratorio de biofotónica del Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada se estudia y explota la interacción de la luz con material biológico, mediante el desarrollo de pinzas ópticas para microscopía confocal.
El doctor Reinher Pimentel Domínguez y el doctor Remy Ávila Foucat son investigadores del Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada de la Universidad Nacional Autónoma de México, Campus Juriquilla
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