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Buscan crear sistemas ópticos de transporte en dos dimensiones

Guadalupe Toalá
29/abr/2015

En los últimos 20 años se ha generado una intensa actividad científica en el área de la óptica encausada a entender el movimiento de partículas muy pequeñas -del tamaño aproximado de la milésima parte de un milímetro- por medio de mecanismos que usan luz.

Existen, de hecho, mecanismos como las trampas ópticas que ‘atrapan’ partículas y permiten moverlas, estirarlas y colocarlas en cualquier lugar en donde se encuentran inmersas. Estas trampas son mecanismos de micromanipulación óptica pero no son los únicos.

Existe un mecanismo estudiado recientemente llamado “matraca microscópica” cuyo nombre deriva de su similitud con la matraca mecánica. En ella, una rueda dentada gira preferentemente en un sentido. Resulta difícil girarla en sentido contrario debido al obstáculo inherente que presenta la rueda.

En el IFUNAM, Alejandro Vásquez Arzola utiliza esta matraca microscópica para transportar pequeñas partículas como parte de una línea de investigación que podría ayudar a entender el movimiento de las células o bacterias dentro del cuerpo humano, ya que éstas podrían tener un mecanismo similar de transporte.

A diferencia de otros procesos de micromanipulación óptica, la matraca ofrece una característica denominada rectificación, que consiste en el movimiento en un solo sentido a partir de un movimiento oscilatorio.

Un ejemplo de la rectificación a nivel macroscópico la encontramos en los relojes de péndulo que se usaban hasta el siglo XX. El mecanismo es simple: al oscilar, el péndulo genera una rotación constante en una rueda que mueve la manecilla del reloj, cuando el péndulo oscila en una dirección la rueda se mueve pero cuando se da el movimiento de regreso ya no se mueve. A ese movimiento en un solo sentido se le conoce como rectificación.


Sistema mecánico ratchet.

Ese mismo mecanismo es utilizado para manipular partículas con luz, explicó Alejandro Vásquez en el seminario del 3 de diciembre de 2014, en el que presentó sus resultados más recientes.

“Es parecido a tener un tejado asimétrico y colocar sobre él un conjunto de canicas, para luego mover un extremo del tejado hacia arriba y el otro hacia abajo de forma repetida. Este movimiento del tejado sería lo equivalente a la oscilación del péndulo, de tal manera que las canicas -debido a la forma del tejado- se desplacen en una dirección preferencial. Eso mismo hacemos pero con partículas diminutas”, explicó el investigador.

El tejado (o el sustrato), en este caso, es un campo electromagnético que los mismos científicos crean. Estos campos se consiguen al hacer incidir un haz a través de una lente. Generalmente esta lente es el objetivo de un microscopio, y el proceso hace que se generen regiones espaciales hacia donde las partículas son atraídas.

Así, consiguen mover las partículas de un lado a otro a partir de un movimiento oscilatorio.

Su estudio, sin embargo, ha estado limitado hasta ahora a estudiar estos sistemas de transporte en una sola dimensión.

Así que él pretende ir más allá: extender las matracas microscópicas a dos dimensiones de manera que sea posible entender las propiedades de este efecto bajo diferentes circunstancias físicas.

“Extender el sistema en una dimensión implica enriquecer la dinámica del sistema”, comentó Vásquez. Un sistema en dos dimensiones aumentaría la libertad de movimiento que tienen las partículas ya que podrían moverse a la derecha, izquierda, adelante y atrás.

En el 2011 un grupo de investigadores del IFUNAM entre los que se encontraba Vásquez Arzola probaron por primera vez por medio de un mecanismo de matraca microscópica en una dimensión que las partículas que, por ejemplo, se mueven con dirección preferencial a la derecha, podían cambiar su movimiento hacia la izquierda si se variaba la inclinación del movimiento que se hace sobre el “tejado o sustrato” dado.

A este fenómeno se le conoce como inversión de corriente y fue predicho por físicos de la Universidad de Augsburg, Alemania, hace más de 10 años.

“La simplicidad y versatilidad de nuestro sistema facilita la comparación con los modelos teóricos y abre la posibilidad de explorar nuevos aspectos y resolver importantes preguntas acerca de la dinámica de la matraca microscópica”, comentó Vásquez Arzola.

Las matracas microscópicas son, en ese sentido, un novedoso mecanismo que -en dos dimensiones- abrirían la puerta a un sinfín de posibilidades. Posibilidades de utilizar la luz para mover lo diminuto en cualquier rama de la ciencia.