Nuovo sensore può rilevare sempre più piccole nanoparticelle

Maneggevole e rivoluzionario: La fisica Larissa Kohler, KIT, ha sviluppato un nuovo tipo di risonatore che rende visibili nanoparticelle sempre più piccole. (Foto: Markus Breig, KIT)

La fisica Larissa Kohler ha sviluppato il nuovo risonatore ottico al KIT. (Foto: Markus Breig, KIT)

Le nanoparticelle sono ovunque nel nostro ambiente: virus nell'aria, proteine nel corpo, come componenti di nuovi materiali ad esempio per l'elettronica o nelle rivestimenti superficiali. Chi desidera rendere visibili le minuscole particelle ha un problema: sono così piccole che di solito non si vedono con un microscopio ottico. Ricercatori dell'Istituto di Tecnologia di Karlsruhe (KIT) hanno sviluppato un sensore con cui non solo possono individuare le nanoparticelle, ma anche determinarne la natura e tracciare il loro movimento nello spazio. Presentano il loro innovativo risonatore Fabry-Pérot nella rivista Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-021-26719-5).

I microscopi convenzionali producono immagini fortemente ingrandite di piccole strutture o oggetti con l'aiuto della luce. Tuttavia, poiché le nanoparticelle a causa della loro minuscola dimensione assorbono o diffondono pochissima luce, rimangono invisibili. I risonatori ottici, invece, amplificano l'interazione tra luce e nanoparticelle: intrappolano la luce in uno spazio ridotto riflettendola migliaia di volte tra due specchi. Se una nanoparticella si trova nel campo di luce intrappolato, interagisce migliaia di volte con la luce, rendendo misurabile la variazione dell'intensità luminosa. "Poiché il campo luminoso ha intensità diverse in vari punti nello spazio, possiamo dedurre la posizione della nanoparticella nello spazio tridimensionale", spiega la Dr.ssa Larissa Kohler dell'Istituto di Fisica del KIT.

Il risonatore rende visibili i movimenti delle nanoparticelle

E non solo: "Se una nanoparticella si trova nell'acqua, collide con le molecole d'acqua che si muovono in direzioni casuali a causa dell'energia termica. Attraverso queste collisioni, la nanoparticella compie un movimento di sobbalzo. Anche questo movimento browniano possiamo ora tracciare", spiega l'esperta. "Finora, con un risonatore ottico, non era possibile seguire il movimento spaziale di una nanoparticella, si poteva solo determinare se si trovava nel campo di luce o meno", chiarisce Kohler. Inoltre, il nuovo risonatore Fabry-Pérot a fibra, in cui gli specchi altamente riflettenti sono posizionati sulle estremità di fibre di vetro, permette di dedurre, dal movimento tridimensionale, il raggio idrodinamico della particella, cioè lo spessore della sua pellicola di acqua circostante. Questo è fondamentale perché questa modifica le proprietà della nanoparticella. "Per esempio, grazie alla pellicola d'acqua, possono essere rilevate nanoparticelle troppo piccole per essere individuate senza questa pellicola", afferma Kohler. Allo stesso modo, la pellicola d'acqua attorno a proteine o altre nanoparticelle biologiche potrebbe influenzare i processi biologici.

Il sensore permette di ottenere approfondimenti sui processi biologici

Le possibilità di applicazione del loro risonatore vedono i ricercatori nella futura rilevazione del movimento tridimensionale con alta risoluzione temporale e nella caratterizzazione delle proprietà ottiche di nanoparticelle biologiche, come ad esempio proteine, DNA-Origami o virus. Il sensore potrebbe così offrire approfondimenti su processi biologici ancora non compresi.

Pubblicazione originale
Larissa Kohler, Matthias Mader, Christian Kern, Martin Wegener, David Hunger: Tracking Brownian motion in three dimensions and characterization of individual nanoparticles using a fiber-based high-finesse microcavity. Nature Communications, 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-26719-5