Uno de los elementos ms socorridos en las historias de ciencia ficcin en las ltimas dcadas ha sido el lser. Y su fama es bastante bien merecida, ya que gracias a este dispositivo tan atractivo y estimulante para la imaginacin de escritores y guionistas, la ciencia ha expandido sus fronteras, y las aplicaciones reales del lser se parecen cada vez ms a las historias de ficcin. Especficamente, una de sus aplicaciones ms sorprendentes en los ltimos aos es la captura y manipulacin de partculas microscpicas por medio de luz. Para entender en qu consiste esto, comencemos haciendo un breve recorrido histrico.

Los inicios de la captura ptica de partculasLos primeros antecedentes que permitieron reconocer que la luz ejerce presin sobre los objetos materiales datan del siglo XVII, cuando Johannes Kepler (1571-1630) sugiri que la cola de los cometas poda deberse a la presin de los rayos solares, ya que siempre apuntaba en sentido contrario al Sol sin importar la direccin de movimiento del cometa (aunque en realidad esto se debe al viento solar, ya que la presin de radiacin de la luz solar no es lo suficientemente fuerte como para desviar la cola de los cometas). Ms de dos siglos despus James Clerk Maxwell (1831-1879) desarroll su teora electromagntica, con la cual demostr que la luz est constituida por ondas electromagnticas que efectivamente ejercen presin al propagarse. Algunas dcadas ms tarde se observaron fenmenos que no podan explicarse con la teora ondulatoria de Maxwell, lo cual dio lugar a los inicios de una de las grandes teoras del siglo XX: la mecnica cuntica. En este contexto, los trabajos principalmente de Albert Einstein (1879-1955) y Max Planck (1858-1947) llevaron a la conclusin de que, bajo ciertas circunstancias, la luz tambin se comporta como si estuviera formada por un flujo de partculas, actualmente llamadas fotones. A cada fotn se le asocia una propiedad llamada momento lineal (que en fsica clsica se define como el producto de la masa por la velocidad de un cuerpo, aunque segn la teora de la relatividad, aun una partcula sin masa, como el fotn, puede tener momento lineal, cuya magnitud es igual a su energa dividida por la velocidad de la luz). Esto se traduce en el hecho de que el flujo de fotones en su conjunto ejerce presin al incidir sobre la materia. Es decir, independientemente del comportamiento especfico de la luz (ondulatorio o corpuscular), se reconoce que sta es portadora tanto de energa como de momento lineal, y ambas cantidades se conservan en cualquier proceso de interaccin entre radiacin y materia.

Como es natural, hubo muchos intentos en el siglo XX de medir la presin ejercida por la luz, pero sta es en general demasiado dbil (por ejemplo, la presin de la radiacin solar en la superficie terrestre equivale aproximadamente a 10-11 de la presin atmosfrica -es decir, es 0.00000000001 veces menor que la presin atmosfrica). Se requera de un extraordinario refinamiento en las tcnicas y equipos experimentales, as como fuentes luminosas adecuadas, para detectarla.La historia cambi radicalmente cuando el lser apareci en escena, en los aos sesenta. Qu hace del lser una fuente de radiacin tan especial? Por una parte, el hecho de que la radiacin que emite es casi monocromtica y coherente. Esto quiere decir que est formada por un conjunto de ondas electromagnticas que tienen casi todas la misma longitud de onda (es luz de un solo color) y que viajan de manera ordenada y sincronizada. Por otra parte, la luz del lser concentra una gran potencia, y se propaga a lo largo de una direccin bien definida (como rayo). En ptica nos referimos a este tipo de propagacin como un haz de luz. Por ejemplo, si enfocamos un haz de luz lser de 1 watt de potencia a una superficie de unos 10 micrmetros (milsimas de milmetro) de dimetro, la cantidad de fotones que atravesarn esa superficie por unidad de tiempo ser ms de nueve millones de veces mayor que la cantidad de fotones que la atravesaran si la misma superficie estuviera iluminada por el Sol en el exterior de la atmsfera terrestre. En este caso, la presin de radiacin sigue siendo insignificante para objetos macroscpicos, pero llega a ser muy importante al actuar sobre objetos suficientemente pequeos.

Con base en este tipo de argumentos, en 1970 Arthur Ashkin, cientfico norteamericano que trabajaba en los laboratorios Bell en Estados Unidos, dise un experimento para medir la presin de radiacin ejercida por un lser continuo. Para evitar efectos de calentamiento debidos a la absorcin de la luz, Ashkin utiliz microesferas transparentes de ltex suspendidas en agua, cuyos dimetros iban desde fracciones de micrmetro hasta varios micrmetros (como comparacin, el grosor de un cabello humano es aproximadamente de 50 a 150 micrmetros). Para su grata sorpresa, no slo encontr que la presin de radiacin efectivamente era capaz de empujar a las partculas en la direccin de propagacin del haz lser, sino que tambin observ que, simultneamente, las partculas eran atradas hacia el centro del haz, en la direccin transversal. Partiendo de estos resultados Ashkin decidi colocar dos haces de luz propagndose en direcciones opuestas a lo largo de un eje horizontal, de modo que las fuerzas ejercidas por cada uno de los lseres se equilibraran entre s en algn punto intermedio, donde la partcula quedara atrapada por la luz. Estos descubrimientos marcaron el inicio de lo que hoy en da se ha convertido en una de las reas de mayor impacto en la ciencia y la tecnologa: la micromanipulacin ptica.El origen de las fuerzas de captura ptica Para entender el fenmeno observado por Ashkin recurriremos a la Figura 1, donde el proceso de interaccin entre la luz y una partcula esfrica se ilustra mediante un trazo de rayos. Cuando un haz de luz incide sobre la superficie de un objeto transparente, una parte de la luz es reflejada; otra parte es transmitida (pasa a travs del objeto), pero sufre refraccin (se desva), y puede haber tambin una pequea parte que se absorba, transformndose en calor. Los cambios en la rapidez o direccin de propagacin de la luz debidos a la reflexin y refraccin implican un cambio en el momento lineal de los fotones, lo cual a su vez genera fuerzas que actan sobre la partcula; esto se debe a que el momento lineal se debe conservar, y ocasiona la presin de radiacin.

Pero hay un ingrediente adicional que permite la captura ptica observada por Ashkin, y es el hecho de que existe un gradiente de intensidad en la seccin transversal del haz de luz: la intensidad es mxima en el centro y disminuye rpidamente hacia las orillas, como se ilustra en la Figura 1a y en la curva roja de las Figuras 1b y c (por lo cual el rayo a se representa un poco ms grueso que el rayo b). La refraccin del rayo a en la figura 1b provoca la fuerza Fa sobre la esfera, y el rayo b, simtricamente ubicado, causa una fuerza anloga Fb, pero Fa es mayor que Fb. El resultado es que la fuerza total (flecha azul) tiene dos contribuciones; una perpendicular al eje de propagacin (z) que conduce las partculas hacia las regiones de mxima intensidad; y la otra que las empuja hacia adelante a lo largo del eje. La primera se conoce como fuerza de gradiente, mientras que la segunda se ha llamado fuerza de esparcimiento o dispersin.

En el caso de la luz reflejada (Figura 1c), la fuerza ejercida en cada punto del objeto es siempre perpendicular a su superficie (debido a la ley de reflexin de la luz), de manera que la fuerza resultante tiene el efecto principal de empujar al objeto en la direccin de propagacin (flecha azul). Sin embargo, el gradiente de intensidad tambin juega un papel en este caso. De hecho, su efecto es exactamente opuesto al de la fuerza gradiente para la luz transmitida, es decir, tiende a empujar al objeto fuera de las regiones de intensidad mxima, aunque su magnitud es mucho menor (aproximadamente diez veces) que la fuerza gradiente asociada a la luz transmitida. En general, podemos decir que la fuerza de esparcimiento es aquella cuya direccin coincide siempre con la direccin de propagacin del haz de luz, mientras que la fuerza gradiente es perpendicular a esta direccin.

En la dcada de los setenta y principios de los ochenta, tanto Ashkin y su equipo de colaboradores como otros grupos cientficos alrededor del mundo centraron su atencin en comprender mejor los fundamentos fsicos del fenmeno y en desarrollar nuevas tcnicas de captura ptica. Por ejemplo, se realizaron diversos experimentos de "levitacin ptica" con partculas micromtricas de diferentes materiales y propiedades pticas (partculas transparentes de alto y bajo ndice de refraccin, partculas metlicas, etctera). La levitacin se obtiene cuando la presin de radiacin ejercida por un haz de luz que se propaga verticalmente hacia arriba, equilibra a la fuerza de gravedad de tal manera que la partcula queda suspendida.

A pesar de estos avances, las aplicaciones de las tcnicas de captura ptica an se vean bastante limitadas. Sin embargo, en 1986 se obtuvo otro gran avance en el rea, nuevamente debido a Ashkin y a sus colaboradores, entre los que destaca Steven Chu, premio Nobel de fsica 1997 por sus contribuciones al enfriamiento y captura de tomos con luz. Esta vez desarrollaron una "trampa ptica" muy estable, que permita atrapar firmemente a una partcula utilizando un solo haz de luz. Para lograr esto, el haz se debe enfocar en un rea extremadamente pequea utilizando una lente objetivo de microscopio (de manera anloga a como se enfoca la luz del Sol mediante una lupa). Con ello se genera un considerable gradiente de intensidad en la direccin de propagacin, adems del transversal. Como consecuencia, la fuerza de gradiente atrae a las partculas hacia la regin focal, donde la intensidad es mxima. Lo sorprendente es que esta fuerza tiene magnitud suficiente como para equilibrar el peso de la partcula y la fuerza de esparcimiento, de modo que las partculas pueden ser atrapadas aun cuando el haz se dirija verticalmente hacia abajo. Este tipo de trampa se conoce hoy en da como "pinzas pticas", y su eficacia se ha comprobado con partculas cuyos tamaos van desde decenas de nanmetros (millonsimas de milmetro) hasta decenas de micrmetros (milsimas de milmetro). El principio de operacin en este caso se ilustra en la Figura 1d. Las fuerzas ejercidas por los rayos a y b sobre la esfera corresponden a Fa y Fb, respectivamente, y la fuerza total apunta en direccin del plano focal (flecha azul).El mtodo ilustrado en las figuras 1b-d describe satisfactoriamente las fuerzas pticas slo cuando el tamao de las partculas es varias veces mayor que la longitud de onda de la luz que se est utilizando. Tambin se pueden atrapar partculas ms pequeas, pero los procesos fsicos involucrados y su descripcin son ms complejos. En general, las fuerzas pticas son directa mente proporcionales a la potencia del haz de luz. Aunque la potencia mnima necesaria para atrapar una partcula depende de su tamao, de sus propiedades pticas y, por supuesto, de las dems fuerzas involucradas en el sistema, generalmente unos cuantos miliwatts pueden ser suficientes.

Figura 1. (a) Gradiente de intensidad transversal de un haz de luz lser y su proyeccin en una pantalla. (b-d) Procesos de interaccin entre un haz de luz y una partcula: (b) El gradiente de intensidad provoca una fuerza neta que atrae a la partcula hacia la regin ms intensa, a tiempo que la empuja en la direccin de propagacin. (c) La fuerza asociada a la luz reflejada se dirige principalmente en la direccin de propagacin. (d) Si el haz de luz est muy enfocado, se genera un gradiente de intensidad a lo largo del eje del haz que provoca que la partcula sea atrada hacia el plano focal, que es la regin de mayor intensidad.Una vez que una partcula est atrapada se puede desplazar con respecto a su entorno, ya sea moviendo el haz de luz o la propia muestra que contiene a la partcula; en este caso se habla de "manipulacin ptica". Otro punto importante es que estas tcnicas no estn restringidas a partculas esfricas: funcionan igualmente con objetos de diferentes geometras, e incluso de formas irregulares, aunque en esos casos puede haber efectos adicionales de alineacin o rotacin. En la Figura 2 se muestra una secuencia de imgenes que permite apreciar la manipulacin de una pequea esfera de vidrio en las tres direcciones espaciales.

El impacto de las pinzas pticas fue determinante en el desarrollo posterior de las tcnicas de manipulacin con luz, y los resultados ms emocionantes an estaban por venir. Hasta 1986 los experimentos se haban realizado con luz visible (con longitud de onda aproximadamente de 0.40 a 0.70 micrmetros). El grupo de Ashkin haba utilizado un lser de luz verde con una longitud de onda de 0.514 micrmetros. En 1987, una afortunada casualidad y su gran ingenio los condujeron a otro descubrimiento fundamental. Al realizar un experimento en el que pretendan manipular cierto tipo de virus, de pronto observaron que algunos especmenes que no eran virus caan en la trampa ptica, se movan frenticamente por unos momentos y despus quedaban inmviles, capturados por la luz. Al analizarlos se dieron cuenta de que la muestra haba sido contaminada por bacterias que, al ser atrapadas, moran rpidamente a causa de la fuerte absorcin de radiacin.

Figura 2. Manipulacin en tres dimensiones de una esfera de vidrio de 5 micrmetros suspendida en agua. (a) Se observa la imagen transversal del haz de luz proyectada en el plano de la muestra; (b) el haz se ha dirigido hacia una partcula atrapndola; en (c) se puede ver cmo sta se ha desplazado lateralmente a otra posicin respecto a sus vecinas. En las imgenes (d-f) la partcula sealada con la flecha es la que est atrapada y el resto de las microesferas se desenfocan, lo cual indica que la partcula atrapada se est desplazando en la direccin vertical.

Entonces se les ocurri reemplazar la luz verde por un lser infrarrojo (con longitud de onda de 1.064 micrmetros), ya que la radiacin infrarroja prcticamente no es absorbida por la materia biolgica y por lo tanto no le causa dao. Los resultados fueron extraordinarios; no slo lograron atrapar y manipular bacterias, levaduras (hongos microscpicos) y diferentes tipos de clulas vivas, sino que adems las pudieron mantener en la trampa el tiempo suficiente como para observar la reproduccin celular sin que sufrieran dao. Incluso se logr la manipulacin de organelos celulares dentro de algunos tipos de clulas in vivo, lo que permiti estudiar la estructura interna de la clula en cuestin.

Por otra parte, hasta ese momento se haban utilizado dos microscopios en el montaje experimental; uno para enfocar el haz lser y otro para observar las partculas atrapadas. Pero en el mismo trabajo de 1987 se reporta por primera vez la combinacin del sistema de focalizacin con el sistema de observacin en un solo objetivo de microscopio, que desempeaba ambas funciones. Una configuracin experimental muy simple pero tpica de estas pinzas pticas modernas se describe en la Figura 3, aunque hoy en da se utilizan muchas configuraciones diferentes, dependiendo de la aplicacin; inclusive se pueden realizar introduciendo el lser directamente a un microscopio ptico.

Figura 3. Un arreglo experimental simple de pinzas pticas. El lser (L) se dirige mediante un conjunto de espejos hacia el objetivo de microscopio que se utilizar para enfocarlo. El ltimo espejo (E) es selectivo, de manera que refleja la luz del lser pero permite observar la muestra a travs de la iluminacin de fondo (F) y un sistema de deteccin (D), que tpicamente consiste de una cmara. La muestra se encuentra sobre una base de traslacin que permite su movimiento relativo al haz de luz.

Aplicaciones sobresalientes y nuevos avances

La manipulacin de muestras biolgicas y la simplificacin del sistema experimental abrieron de manera definitiva la gama de aplicaciones de las pinzas pticas. Actualmente se han convertido en una herramienta fundamental en disciplinas como biofsica, biotecnologa, medicina reproductiva y biologa celular y molecular, donde han hecho posible la manipulacin incluso de una sola molcula. Tambin se usan en investigaciones bsicas en ptica, para determinar las propiedades fsicas de diferentes tipos de haces de luz, as como en estudios de fsica de coloides (materiales de tipo gelatinoso) y sistemas complejos. Por si eso fuera poco, las nuevas tcnicas de manipulacin ptica permiten la operacin de mquinas en miniatura, que, dicho sea de paso, son tambin desarrolladas con tecnologa ptica. Un ejemplo de gran inters en el terreno de las aplicaciones biolgicas es el estiramiento de una sola molcula de cido desoxirribonucleico (ADN, que normalmente se mantiene en una configuracin enrollada), lo cual ha sido fundamental para entender sus propiedades mecnicas y por tanto sus funciones en la operacin de la maquinaria celular. Una manera de lograr esto es adherir uno de los extremos de la molcula (previamente marcada con un material fluorescente y detectado mediante microscopa de fluorescencia) a una esfera de ltex que es atrapada con pinzas pticas. Posteriormente se utiliza la fuerza hidrodinmica de un lquido que fluye para estirar la molcula de ADN (hasta una longitud de 64.5 micrmetros!). Cuando el flujo se detiene, la molcula se relaja volviendo a su forma original.

Tambin se ha combinado el uso de las pinzas pticas con lo que se conoce como "escalpelo ptico" para realizar fertilizacin in vitro. El escalpelo ptico consiste bsicamente en enviar un pulso corto y controlado de luz lser de muy alta energa y longitud de onda ultravioleta (menor de 0.40 micrmetros) que "taladra" un agujero en la zona pelcida de un vulo (la capa protectora que lo rodea) con gran precisin, para facilitar la llegada del espermatozoide, el cual a su vez es arrastrado hasta el vulo utilizando pinzas pticas. El escalpelo ptico es tambin una herramienta muy poderosa, que permite entre muchas otras cosas, aislar clulas individuales de un tejido sano o enfermo para estudiar las diferencias a nivel molecular.

Otro ejemplo impresionante es el estudio de los procesos de transporte por motores molecular es (enzimas especiales, como la kinesina, que catalizan algunas reacciones qumicas en el interior de la clula y utilizan la energa liberada para realizar trabajo mecnico, como el transporte de cromosomas a travs del citoplasma, que los arrastra a lo largo de los filamentos proteicos llamados microtbulos). La molcula de kinesina se compone de dos cadenas pesadas entrelazadas, lo que le da una forma alargada, y uno de sus extremos funciona como un par de "piernas" con las que recorre su camino. En este caso, un extremo de la kinesina se adhiere a una esfera transparente atrapada con luz; conforme la kinesina se empieza a desplazar a lo largo de un microtbulo, es capaz de arrastrar consigo a la esfera. Caracterizando el desplazamiento de la esfera respecto a su posicin inicial de equilibrio en la trampa ptica se logra caracterizar el movimiento de la kinesina. Con estas investigaciones se han comenzado a develar los misterios de la kinesina, concluyendo que sta se mueve con pasos regulares de aproximadamente 8 nanmetros de longitud.

Los ejemplos anteriores involucran el uso de las formas ms simples de las pinzas pticas. Pero las posibilidades de manipulacin ptica son cada vez ms amplias, y hoy se cuenta con nuevas tcnicas desarrolladas en la ltima dcada. Tal es el caso de las trampas pticas que involucran el uso de haces con distribuciones controladas de luz, como arreglos de regiones brillantes y oscuras que actan como trampas individuales, permitiendo la manipulacin de mltiples objetos a la vez. En las imgenes a-c de la Figura 4 se muestran simulaciones numricas de algunas distribuciones de intensidad que se han utilizado para manipulacin, mientras que en los cuadros d-f se muestran imgenes de los experimentos correspondientes.

Figura 4. (a) Algunas distribuciones transversales de intensidad generadas con diferentes tcnicas pticas y (b) su correspondiente aplicacin en la captura ptica de macropartculas, donde se puede observar que las partculas se acomodan de acuerdo con la distribucin de intensidad de cada haz.

Una manera de cambiar y controlar la distribucin transversal de intensidad de un haz de luz es utilizan-do tcnicas de interferencia; es decir, dividiendo un haz de luz en dos y recombinndolo ms adelante de modo que la energa se redistribuya formando regiones brillantes y oscuras.

Otra forma de moldear un haz de luz es utilizando hologramas generados por computadora. Los hologramas son bsicamente rejillas de difraccin (formadas, por ejemplo, por variaciones espaciales de absorcin, de espesor o de ndice de refraccin, con escalas de longitud semejantes a la longitud de onda de la luz) con ciertas deformaciones en su estructura que codifican la informacin necesaria para lograr que la luz que las atraviesa se redistribuya de acuerdo a una configuracin deseada. Ms an, en la actualidad existen ciertos dispositivos llamados moduladores espaciales de luz, que podramos describir como pequeas pantallas de cristal lquido que se conectan directamente a una computadora, en las cuales se despliega la configuracin grfica correspondiente al holograma (como una copia a escala de lo que se ve en el monitor de la computadora. As, un modulador espacial al ser atravesado por la luz acta del mismo modo en que lo hace un holograma convencional, pero con la gran ventaja de que puede reconfigurarse de manera interactiva, lo cual se conoce como holografa dinmica. En el terreno de las pinzas pticas, las posibilidades de controlar la distribucin transversal de intensidad del lser permiten manipular varias partculas simultneamente, de acuerdo con secuencias especficas (en algunas de las pginas web recomendadas al final de este artculo se pueden ver videos de este tipo de trampas dinmicas). Esto ha dado un nuevo y brillante potencial a las aplicaciones de las pinzas pticas. Por ejemplo, adems de la traslacin en cualquier direccin, se ha logrado tambin la rotacin controlada de los objetos microscpicos atrapados, lo cual ya se est aplicando como mecanismo para manejar elementos de micromquinas.

Es tan amplio el espectro de aplicaciones de las pinzas pticas que resulta imposible resumirlo. Nuestro propsito aqu ha sido simplemente motivar al lector interesado en el tema, tratando de dar un panorama muy general.