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Tras seis años de trabajo colaborativo, el Grupo de Micromanipulación Óptica del Instituto de Física de la UNAM ha obtenido una grata recompensa: los editores de la revista Physical Review Letters seleccionaron su artículo “Omnidirectional Transport in Fully Reconfigurable Two Dimensional Optical Ratchets” como una de las sugerencias editoriales y como portada de la revista, en reconocimiento a su calidad e importancia académica.

El artículo, publicado el 27 de marzo de 2017 en dicha revista y escrito por el investigador del IFUNAM Alejandro Vásquez Arzola en colaboración con los mexicanos Karen Volke Sepúlveda y Mario Villasante-Barahona, así como los checos Petr Jákl y Pavel Zemánek, reporta, por primera vez, un mecanismo denominado ratchet en dos dimensiones creado por micromanipulación óptica y totalmente reconfigurable.

En él, los investigadores explican cómo es posible realizar y controlar todas las direcciones del movimiento de partículas microscópicas bajo el mecanismo ratchet en dos dimensiones, un estudio que en un futuro podría ayudar a entender otros sistemas como motores biológicos o diseñar nanodispositivos artificiales.

El movimiento direccional

Generalmente para mover un cuerpo de un lugar a otro es necesario aplicarle una fuerza en la dirección que lo queremos mover, sin embargo, existe otro mecanismo, llamado ratchet o matraca, que permite inducir el movimiento en una dirección determinada sin aplicarle una fuerza direccional.

El mecanismo ratchet al que los autores hacen mención consiste en el transporte direccional, en una superficie no simétrica, de partículas debido a una fuerza externa cuya resultante es nula.

Una forma más simple de entenderlo es comparándolo con una charola rugosa, que tiene sumideros y elevaciones. Pensemos en que en su superficie, colocamos pequeñas canicas y después de que estas ocupan las posiciones de los sumideros, movemos un extremo de la charola hacia arriba y el otro extremo hacia abajo de forma alternada; o a la derecha y luego a la izquierda. Como resultado, las partículas pueden moverse en distintas direcciones: en la misma dirección a la fuerza externa, de forma transversal o de forma oblicua.

Lo interesante es que la fuerza externa que propicia el movimiento de la charola es oscilante y por ello, la fuerza promedio es nula, porque no realiza una fuerza direccional neta sobre las partículas.

Fuerza oscilante como medio de transporte

Desde hace varios años, el equipo de Micromanupilación Óptica del IFUNAM estuvo trabajando en el diseño de un rathet creado con luz. Para ello, crearon un dispositivo que genera hologramas ópticos que hacen las veces de superficie no simétrica (los sumideros y las elevaciones del ejemplo de la charola).

A esa superficie, los investigadores añaden las canicas, que son pequeñas esferas de poliestireno con un diámetro de 2 micrómetros, que se encuentran entre dos laminillas de vidrio, suspendidas en agua y que son atrapadas por medio de los hologramas. El control del movimiento de estas esferas es aún más complejo en el modelo experimental debido a que las partículas presentan un movimiento errático que es intrínseco y resultado de su tamaño tan pequeño, al cual se le conoce como movimiento browniano. Finalmente, se le aplica la fuerza oscilante por medio de un sistema mecánico que permite realizarlo de forma muy delicada y precisa.

Lo que lograron los investigadores y que resultó tan interesante para los editores de la revista es que demostraron de forma numérica y experimental el transporte controlado de dichas partículas brownianas en este sistema ratchet en dos dimensiones; y que con él, pudieron observar cómo las partículas se pueden mover en la misma dirección o en la dirección opuesta a la fuerza externa, pero también en dirección oblicua (diagonal) al movimiento oscilatorio.

“El movimiento de las partículas en dirección oblicua no se había observado antes”, dijo Alejandro Vásquez. “El movimiento en las otras direcciones se podía realizar en condiciones muy distintas a la nuestra, utilizando técnicas de microfluídica, pero el movimiento oblicuo aún no se había reportado”, explicó a Noticias IFUNAM.

La investigación fue totalmente realizada en México, en el Laboratorio de Micromanipulación Óptica del IFUNAM, cuyo grupo está integrado por tres investigadores y 13 estudiantes de licenciatura, maestría y doctorado. Ellos y otros estudiantes que han pasado por el grupo aportaron conocimiento sustancial para obtener los resultados.

“Los estudiantes han sido una parte importante para la realización de este trabajo, contribuyeron en el entendimiento y realización de distintas partes del experimento, esto habla de una maduración del grupo de trabajo”, comentó el investigador.

Actualmente el mecanismo ratchet es ampliamente estudiado para entender muchos otros sistemas como motores biológicos y para diseñar nanodispositivos artificiales, sin embargo aún falta mucho por desarrollar en el laboratorio.