1. Por qué no sentimos la presión que ejerce la luz
Cuando lanzas una pelota contra una pared, la pelota rebota y la pared es empujada ligeramente. Las partículas de luz, llamadas fotones, también generan una fuerza de empuje al golpear los objetos [1]. [1] Su magnitud se explica como de apenas unos pico-newtons. El prefijo «pico» significa una billonésima parte, y un newton es la fuerza necesaria para sostener unos 100 g de peso. Incluso cuando la luz de un puntero láser se refleja en un espejo, la fuerza es de unos pocos pico-newtons, por lo que es casi imposible que la sintamos [3]. Sin embargo, la fuerza de gravedad sobre una gota de agua de 1 μm (una milésima de milímetro) es de aproximadamente 0.005 pico-newtons. Para partículas pequeñas como bacterias o glóbulos rojos, la fuerza de empuje de la luz supera con creces su propio peso. Esta «fuerza de agarre» fue la clave para el desarrollo de las pinzas ópticas [3]. Pero, ¿cómo atrapar una partícula usando solo la fuerza de empuje de la luz?
2. Cómo el láser empuja las partículas pequeñas hasta que se escapan
En 1970, Arthur Ashkin, del laboratorio Bell en Estados Unidos, dirigió luz láser hacia pequeñas partículas de látex (de unos 0.6 a 2.7 μm) suspendidas en agua. Las partículas se movían al ser empujadas por la luz [3]. No obstante, las partículas empujadas simplemente fluían en la dirección de la luz y no se quedaban en un solo lugar. Por ello, Ashkin enfrentó dos haces de luz idénticos para atrapar la partícula entre ellos, equilibrando las fuerzas de empuje opuestas para capturarla de manera estable. Al año siguiente, en 1971, se dice que tuvo éxito en un experimento donde la luz provenía de abajo, contrarrestando la gravedad para hacer flotar la partícula [3]. Así, «atrapar partículas con luz» se logró, al menos en principio. Pero era necesario usar dos haces perfectamente enfrentados. ¿Sería posible atrapar una partícula con un solo haz usando la fuerza de gradiente?
3. Por qué la luz también atrae las partículas hacia el centro del haz
Además de la fuerza de empuje, la luz tiene otra fuerza que atrae las partículas hacia la zona de mayor intensidad. La primera se llama fuerza de scattering y la segunda, fuerza de gradiente. La fuerza de scattering acelera la partícula en la dirección de la luz, mientras que la fuerza de gradiente la atrae hacia el centro intenso del haz [3]. La fuerza de gradiente atrae a la partícula cuando su índice de refracción es mayor que el del agua circundante; la partícula es atraída hacia el foco de luz intenso. Por el contrario, burbujas u objetos con un índice de refracción menor que el agua tienden a ser expulsados de las zonas de luz intensa [3]. En 1986, Ashkin, junto con Dziedzic, Bjorkholm y Chu, demostraron por primera vez el atrapamiento de partículas mediante la fuerza de gradiente, usando una lente de microscopio para enfocar fuertemente un solo haz. [4] Se reportó que partículas desde 10 μm hasta unos 25 nm (una cuarenta milésima de milímetro) fueron atrapadas en agua [4]. Este artículo es considerado el punto de partida de la tecnología conocida hoy como pinzas ópticas [6]. En 2018, el Premio Nobel de Física otorgó la mitad del premio a Ashkin por estas pinzas ópticas y sus aplicaciones en sistemas biológicos. La otra mitad fue para los investigadores Mourou y Strickland por otros estudios [1]. El comité del premio valoró el hecho de usar la fuerza de la luz para acercar y retener pequeñas partículas en el centro [2]. Sin embargo, las partículas atrapadas no eran bacterias, sino objetos inanimados. ¿Sería posible atrapar seres vivos?
4. Cómo se logró atrapar bacterias vivas con un láser infrarrojo sin dañarlas
Los primeros láseres dañaban las células. Por eso, se utilizó un láser infrarrojo cercano con una longitud de onda de 1064 nm. Muchas sustancias biológicas dejan pasar casi toda la luz de esta longitud de onda. Al cambiar a este láser, fue posible reducir significativamente el daño causado por la luz [3][3]. No se volvió «completamente inofensivo», sino que se logró evitar grandes daños. En 1987, Ashkin atrapó bacterias vivas con pinzas ópticas, minimizando el daño. La explicación del Nobel lo describe como un «gran avance» [2]. En el mismo año, también se logró atrapar y mover E. coli, levaduras y glóbulos rojos humanos, y se explica que el virus del mosaico del tabaco también fue capturado [3]. Hasta entonces, las bacterias y células se manipulaban tocándolas con agujas de vidrio muy finas. La luz permite moverlas sin tocarlas y con menos daño. Este punto es valorado por haber tenido un gran impacto en la biología [3].
5. Cómo las pinzas ópticas pasaron de atrapar partículas a medir fuerzas de moléculas
La fuerza de las pinzas ópticas es del orden de pico-newtons, similar a la fuerza que generan las biomoléculas. Por ello, se ha utilizado en investigaciones donde se atan pequeñas esferas a ambos extremos del ADN para estudiar sus propiedades, o para medir la fuerza con que la miosina, responsable de la contracción muscular, tira de la actina, molécula por molécula. Los estudios del japonés Toshiaki Yanagida y su equipo son un ejemplo de esto [3]. En 1993, Svoboda, Schmidt, Schnapp y Block estudiaron la kinesina, una proteína motora. [5] Al colocar una esfera de sílice con una sola molécula de kinesina sobre un microtúbulo (un tubo fino dentro de la célula) usando pinzas ópticas, se descubrió que la kinesina caminaba en pasos de 8 nm. 8 nm son una ciento veinticinco milésima parte de un milímetro [5]. El comité del premio explica que las pinzas ópticas se usan ahora ampliamente para estudiar la «maquinaria de la vida» [2]. [2] La fuerza de la luz no solo atrapa bacterias, sino que se ha convertido en una herramienta para medir la fuerza y el paso de una sola molécula.
Si te gustaría investigar por tu cuenta
Para comprender lo pequeño que es un «pico-newton», verifiquemos los números. Un newton es la fuerza para sostener unos 100 g, y «pico» es una billonésima parte. ¿Cuántos gramos es una billonésima parte de 100 g? Al calcularlo, puedes apreciar lo minúscula que es la «fuerza de agarre» de las pinzas ópticas [3]. También puedes leer información oficial: el artículo de la revista KAGAKU (febrero de 2019) está disponible en japonés [1], y el anuncio del Nobel de Física 2018 está disponible en inglés en el sitio de la Academia Real de Ciencias de Suecia [2].