Manipolazione ottica di nanotubi di carbonio e nanocilindri d'oro

  
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L’obiettivo della presente tesi, svolta presso il Laboratorio di Nanotecnologie 
Ottiche dell’Istituto per i Processi Chimico-Fisici (u.o. Messina) del Consiglio 
Nazionale delle Ricerche, è stato quello di montare ed ottimizzare un apparato di 
pinzette ottiche per studiare l’intrappolamento ottico di due classi di nanostrutture: 
nanotubi di carbonio e nanocilindri d’oro. I nanotubi di carbonio sono considerati tra i 
più promettenti successori della tecnologia basata sul silicio, grazie alle loro proprietà 
uniche che nascono dal loro carattere di strutture quasi unidimensionali. Tuttavia, 
nonostante l’intensa ricerca condotta negli ultimi anni, l’integrazione di tali 
nanoparticelle in applicazioni elettroniche non è stata ancora ottenuta a causa della 
mancanza di metodi efficienti per la loro manipolazione ed ordinamento su larga scala. I 
nanocilindri d’oro hanno delle proprietà ottiche peculiari, una facile chimica di 
superficie e una dimensione appropriata per molte applicazioni in biologia molecolare e 
medicina. In questo contesto l’intrappolamento ottico di tali nanostrutture, eseguito 
anche su larga scala mediante trappole multiple, può rappresentare un metodo 
innovativo per colmare il divario tra le micro e le nanotecnologie, con la conseguente 
integrazione alle biotecnologie. 
La tesi è strutturata come segue. 
Nel primo capitolo, verrà descritto il principio di funzionamento delle pinzette 
ottiche. In particolare, si analizzeranno le teorie semplificate sviluppate nel caso di 
particelle sferiche ed una nuova trattazione, sviluppata di recente, che può essere estesa 
a particelle non sferiche. Infine si illustreranno le principali applicazioni delle pinzette 
ottiche in campo biologico, fisico e nanotecnologico. 
Nel secondo capitolo, si descriverà l’apparato sperimentale realizzato, con 
particolare attenzione agli elementi fondamentali necessari all’allestimento di un 
apparato di pinzette ottiche. Verranno inoltre illustrate le tecniche utilizzate per ottenere 
una trappola stabile ed il sistema di rivelazione della posizione della particella 
intrappolata. 
Nel terzo capitolo, verrà chiarito il concetto di moto browniano e ricavata 
l’equazione di Langevin per particelle sferiche. Verranno inoltre introdotte le funzioni 
di correlazione e descritto il metodo che consente di caratterizzare la trappola ottica e 
calibrare il sistema di rivelazione semplicemente analizzando il moto browniano a cui 
sono soggette le particelle intrappolate. 
  
3
Nel quarto capitolo, dopo aver illustrato la struttura e le proprietà dei SWNT, 
presenteremo uno studio sistematico dell’intrappolamento ottico di bundles di SWNT in 
diversi ambienti liquidi. Verrà inoltre illustrato un modello, basato su equazioni di 
Langevin, che permette la comprensione delle dinamiche browniane di nanotubi 
intrappolati otticamente. 
Nel quinto capitolo, dopo aver descritto le proprietà e le applicazioni dei 
nanocilindri d’oro, discuteremo il ruolo delle risonanze plasmoniche che essi presentano 
e che è responsabile del loro intrappolamento ottico. Mostreremo come sia possibile 
intrappolare e manipolare sia aggregati che singole nanoparticelle d’oro sfruttando una 
radiazione ad una lunghezza d’onda maggiore della risonanza.  
 
  
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CAPITOLO 1 
 
 
LE 
 
PINZETTE 
 
OTTICHE 
 
Le Pinzette Ottiche sono apparati che permettono l’intrappolamento e la 
manipolazione di particelle di dimensioni che vanno dalla decina di micrometri alla 
decina di nanometri sfruttando un fascio laser fortemente focalizzato. Sin dalla prima 
dimostrazione operata da Ashkin et al. nella seconda metà degli anni ottanta, esse sono 
divenute uno strumento essenziale come trasduttori di forza nel range dei picoNewton, 
per la manipolazione e lo studio di sistemi fisici e biologici. Numerosi esperimenti 
hanno dimostrato che in laboratorio è possibile intrappolare particelle non-sferiche, 
come cellule, materiale citoplasmatico e, molto recentemente, nanofili di 
semiconduttori, nanotubi di carbonio e nanocilindri d’oro. Si accennerà dunque alle 
teorie semplificate sviluppate nel caso di particelle sferiche e ad una nuova trattazione, 
sviluppata di recente, che può essere estesa a particelle non sferiche. Infine si 
illustreranno le principali applicazioni in campo biologico, fisico e nanotecnologico. 
 
 
 
 
 CAPITOLO 1 – LE PINZETTE OTTICHE 
 
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1.1     NOTE STORICHE 
Il principio fisico su cui si basa il funzionamento delle pinzette ottiche è l’azione 
meccanica della luce sulla materia. Già nel XVII secolo, Johannes Kepler, 
basandosi sull’idea che la luce potesse spingere piccole particelle, spiegò 
l’esistenza della coda delle comete. In particolare egli teorizzò che la luce solare 
causi alla coda delle comete a puntare in senso opposto al sole. Nel caso della 
famosa cometa Hale-Bopp sono infatti evidenti due code: una dovuta al vento 
solare, ovvero da particelle cariche emesse dal sole, ed una, più diffusa, dovuta 
alla pressione della luce solare.  
PRESSIONE DI 
RADIAZIONE
VENTO 
SOLARE
 
             FIGURA 1.1 Le due code della cometa Hale-Bopp. Si tratta della cometa più 
luminosa del XX secolo, visibile ad occhio nudo nel 1997. La coda più diffusa è 
dovuta alla pressione della luce solare. 
Nel 1873, James Clerk Maxwell dimostrò teoricamente che la luce può 
esercitare una forza sulla materia (comunemente conosciuta come pressione di 
radiazione). Sei anni dopo, Otto R. Frisch fu in grado di deflettere un fascio di 
atomi di sodio bombardando il fascio con la luce di una lampada a sodio. Nel 
1975, Hansch e Schalow proposero l’idea di usare i laser per intrappolare atomi. 
Dieci anni dopo, Steven Chu dei Laboratori Bell fu capace di ottenere un 
raffreddamento tridimensionale tramite una tecnica chiamata “optical molasses” 
(avrebbe vinto nel 1997 il premio Nobel per la Fisica per il raffreddamento e 
l’intrappolamento laser degli atomi con William Phillips e Claude Cohen-
Tannoudji).  
 CAPITOLO 1 – LE PINZETTE OTTICHE 
 
6
Nel 1970 Arthur Ashkin ai Laboratori Bell, in un esperimento mirato a 
riprodurre gli effetti del vento solare, osservò l’esercitarsi di una forza inattesa 
su delle sferette di silice di dimensione micrometrica sospese in acqua ed 
irradiate con un fascio laser focalizzato. Piuttosto che essere spinte dalla 
pressione di radiazione nella direzione di propagazione del laser, le sferette 
erano sottoposte ad una forza insospettata che le tirava verso l'asse del fascio [2]. 
Tale forza, nota come forza di gradiente (gradient force), è la componente della 
forza prodotta dal laser in direzione del gradiente spaziale di intensità ed 
ortogonale alla direzione di propagazione. 
A questo primo esperimento seguì direttamente la realizzazione della trappola 
ottica a due laser. In tale configurazione le forze di scattering (scattering force), 
ovvero la forze nella direzione di propagazione della luce, vengono bilanciate da 
due fasci laser contrapposti e le forze di gradiente concorrono a mantenere 
l'oggetto lungo l'asse ottico (Figura 1.2.a). La limitazione di questa tecnica è 
abbastanza intuitiva: essendo necessari due fasci laser coassiali, la posizione 
della trappola è estremamente statica, per cui risulta impossibile la 
manipolazione dei campioni. L'unica operazione possibile consiste nel regolare 
la potenza dei due laser in modo da traslare leggermente la trappola lungo l'asse.  
Nel 1971, Ashkin realizzò la trappola a levitazione [3], in cui la forza di 
scattering viene equilibrata dalla forza di gravità e la forza di gradiente mantiene 
stabile il campione (Figura 1.2.b). La limitazione di questa tecnica consiste nella 
forza massima applicabile che risulta dell’ordine della forza di gravità. La 
trappola è quindi piuttosto instabile e non è possibile muovere il campione se 
non lungo la verticale.  
 
             FIGURA 1.2 Trappola ottica a) con due fasci contropropaganti; b) a levitazione 
ottica. 
a) 
b) 
 CAPITOLO 1 – LE PINZETTE OTTICHE 
 
7
L'evoluzione di queste ricerche porta, infine, alla scoperta che con un fascio 
laser fortemente focalizzato, è possibile ottenere una forza di gradiente anche 
lungo l'asse del laser. In particolare la forza risulta essere diretta verso il fuoco. 
Le trappole ottiche a fascio singolo vennero chiamate pinzette ottiche (optical 
tweezers) e furono studiate inizialmente per particelle dielettriche da Ashkin et 
al. nel 1986 [1]. Da allora l’interesse del mondo scientifico è divenuto via via 
crescente per le numerose applicazioni che esse hanno in numerosi ambiti di 
ricerca: in biologia, in fisica, in nano-ingegneria. 
Nel 1987, Arthur Ashkin et al. per primi applicarono le pinzette ottiche alle 
scienze biologiche, utilizzandole per intrappolare un singolo virus del mosaico 
del tabacco ed il batterio Escherichia coli [4]. A partire dagli anni ’90, ricercatori 
come Carlos Bustamante, James Spudich, e Steven Block furono i pionieri 
nell’utilizzo della forza dell’intrappolamento ottico per caratterizzare i motori 
molecolari in biologia, che sono macchine biologiche responsabili del 
movimento e delle azioni meccaniche all’interno della cellula. Le pinzette 
ottiche hanno trovato impiego anche in altre aree della biologia.  
Recentemente è stata sviluppata una configurazione di pinzette ottiche molto 
interessante per eventuali manipolazioni biologiche in vivo, che si basa 
sull’utilizzo di fibre ottiche per l’intrappolamento di particelle [5]. Tale 
configurazione rende le pinzette ottiche uno strumento miniaturizzato, versatile e 
maneggevole, che può venire impiegato anche nella spettroscopia a raggi X della 
singola particella in vuoto. 
 
             FIGURA 1.3 Struttura ed immagine SEM di una pinzetta a fibre ottiche [5]. 
 CAPITOLO 1 – LE PINZETTE OTTICHE 
 
8
Oggi le pinzette ottiche trovano numerose applicazioni in diversi campi, non 
solo in biologia, ma anche in fisica, in ingegneria. Numerosi lavori si sono 
inoltre occupati di stimare le forze esercitate sui campioni, ma solo di recente la 
comprensione teorica dell’intrappolamento ottico di particelle ha trovato un 
riscontro quantitativo con gli esperimenti.  
1.2     TEORIA DELL’INTRAPPOLAMENTO OTTICO 
[…] 
1.3     APPLICAZIONI DELLE PINZETTE OTTICHE 
Oggi la tecnica dell'intrappolamento ottico trova impiego in un ampio campo di 
applicazioni, come la biologia cellulare, la fisica della materia condensata (soft-
matter), l’ingegneria dei materiali e la nanotecnologia. Le pinzette ottiche 
possono infatti essere usate come un efficace micro-manipolatore, con il 
vantaggio di riuscire a catturare e muovere oggetti senza un contatto meccanico 
che potrebbe contaminare e danneggiare i campioni. Una delle caratteristiche più 
interessanti delle pinzette ottiche consiste nella possibilità di esercitare e 
misurare forze dell’ordine dei picoNewton, per cui esse possono essere utilizzate 
come trasduttori opto-meccanici. 
™ APPLICAZIONI IN BIOLOGIA CELLULARE 
L’importanza delle pinzette ottiche nell’ambito della biologia cellulare fu 
evidente già dai primi esperimenti di intrappolamento condotti da Ashkin su 
virus, lieviti, batteri e protozoi [4, 6]. Oggi esse rappresentano uno strumento 
insostituibile per studiare, manipolare ed effettuare esperimenti micro-meccanici 
su cellule e microorganismi, sia in vitro che in vivo. Infatti utilizzando laser con 
lunghezza d’onda nel vicino infrarosso  (800 nm - 1100 nm), si evita il 
fotodanneggiamento e dunque la morte di microrganismi e cellule. La regione 
del vicino infrarosso corrisponde ad una finestra di trasparenza, situata tra la 
banda di assorbimento di molti cromofori biologici ed il crescente assorbimento 
 CAPITOLO 1 – LE PINZETTE OTTICHE 
 
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dell’acqua a lunghezze d’onda più grandi. Diversi studi sono stati effettuati per 
investigare il riscaldamento delle cellule intrappolate e da questi è emerso che 
poiché le cellule possono essere intrappolate con una potenza di qualche mW, il 
danneggiamento dovuto al riscaldamento locale è trascurabile [7]. 
In moltissimi laboratori nel mondo le pinzette ottiche sono utilizzate per diversi 
studi, che vanno dal confinamento ed organizzazione di cellule, al moto dei 
batteri, dalla misura di forze (lineari e torsionali) a collisioni tra cellule in 
condizioni biologicamente controllate (ad esempio l’adesione tra virus 
dell’influenza ed eritrociti in presenza di vari tipi di inibitori), fino 
all’alterazione ed interazioni di strutture (membrana cellulare [8], fusione 
cellulare, interazione tra globuli rossi e virus).  
      
             FIGURA 1.4 a) Le pinzette ottiche intrappolano un globulo rosso sano (sopra) ed un 
globulo rosso infetto da malaria da Plasmodium  falciparum per analizzarne la 
rigidezza [
20
].  b) Fusione di due liposomi portati a contatto con pinzette ottiche. 
Grazie ad esse si è potuta misurare la forza con cui nuotano gli spermatozoi ed 
effettuare l’inseminazione in vitro [9]. In simbiosi con un fascio laser impulsato 
le pinzette ottiche costituiscono uno strumento per la nanochirurgia [10, 11]. 
™ APPLICAZIONI IN BIOLOGIA MOLECOLARE 
In biologia molecolare, le pinzette ottiche assumono un ruolo centrale per lo 
studio delle proteine motrici, quali la chinesina, miosina, dineina, etc.), che 
possiedono capacità di produrre movimenti ed applicare forze dell'ordine del 
piconewton. Il movimento avviene lungo filamenti proteici (actina o 
microtubuli), che fungono da strade sulle quali i motori molecolari ‘camminano’ 
a passi nanometrici. L'energia necessaria a svolgere tale lavoro è usualmente 
fornita da un ciclo di reazione chimica nel quale una molecola di ATP 
  a)   
  b)   
 CAPITOLO 1 – LE PINZETTE OTTICHE 
 
10
(Adenosin-Tri-Phosphate) viene decomposta nei suoi componenti. Gli 
esperimenti si eseguono sulle singole molecole della proteina in esame che 
vengono accoppiate a sfere di latex. La  sfera, attraverso le pinzette ottiche, 
viene portata in un filamento proteico e, dopo l’arresto del laser, si osserva il 
movimento della sfera lungo il filamento con un video-microscopio. La forza 
esercitata da una singola  molecola può essere direttamente misurata valutando 
la minima potenza laser necessaria per fermare la sfera [12].  
Diversi studi sono stati condotti anche sull’acido ribonucleico (RNA) e 
sull’acido desossiribonucleico (DNA). Numerosi lavori sono stati svolti per 
determinarne le proprietà reologiche e meccaniche di filamenti di DNA, 
ottenendo un modello del sistema utile per studiare il complesso comportamento 
dinamico dei polimeri.  
 
             FIGURA 1.5 Le pinzette ottiche impiegate nello studio della posizione della RNA 
polimerasi (pRNA) e della forza esercitata nel processo di replica [13].  
™ APPLICAZIONI IN FISICA 
In fisica, la possibilità di esercitare forze dell’ordine dei piconewton su particelle 
micrometriche e nello stesso tempo di poter controllare la posizione delle stesse 
con precisione nanometrica rende le pinzette ottiche applicabili nello studio della 
fisica dei colloidi, della microreologia [14] e nel  campo della fisica della 
materia condensata. 
Le dispersioni colloidali monodisperse sono sistemi costituiti da oggetti identici 
dispersi in soluzione liquida. La possibilità di controllare la posizione del 
singolo colloide mediante tecniche di intrappolamento ottico, combinata con 
 CAPITOLO 1 – LE PINZETTE OTTICHE 
 
11
tecniche di imaging ottico avanzate, rappresenta un metodo di indagine 
innovativo.  
 
             FIGURA 1.6 Trasformazione della configurazione pentagonale a) di 26 particelle 
colloidali di 1µm di diametro in una configurazione circolare c) utilizzando pinzette 
ottiche oleografiche dinamiche. 
La possibilità di controllare la morfologia e la composizione chimica rende i 
colloidi interessanti per le applicazioni fotoniche e elettroniche. Ad esempio 
sono state utilizzate matrici di particelle colloidali per creare nanostrutture 
impiegate come maschere per litografia [15]. 
™ APPLICAZIONI IN NANOTECNOLOGIA 
Uno degli aspetti più innovativi delle Pinzette Ottiche è il loro utilizzo per la 
manipolazione, la rotazione controllata e l’assemblaggio di nanostrutture quali 
nanotubi di carbonio, nanofili e nanocilindri d’oro.  
 
 
             FIGURA 1.7 Immagine di nanofili di niobato di potassio realizzata tramite tecniche 
di microscopia elettronica a scansione. Essi esibiscono una efficiente generazione di 
seconda armonica e vengono utilizzati come sorgenti di radiazione laser coerente 
nel visibile [16]. 
       a)                  b)              c) 
 CAPITOLO 1 – LE PINZETTE OTTICHE 
 
12
Recentemente è stato dimostrato che è possibile traslare, ruotare, tagliare, 
fondere ed assemblare nanofili di semiconduttore mediante l’utilizzo di pinzette 
ottiche olografiche [17]. Attraverso la tecnica delle trappole ottiche olografiche è 
possibile creare centinaia di trappole ottiche controllate indipendentemente che 
possono manipolare oggetti, quali sono i nanofili, nelle tre dimensioni.  
 
 
             FIGURA 1.8 Rombo costruito da nanofili di semiconduttore utilizzando pinzette 
ottiche olografiche. a) Un nanofilo è traslato verso una struttura precedentemente 
creata intrappolando e fondendo due nanofili. b) il nanofilo lungo è poi tagliato con 
uno scalpello ottico pulsato. c) il risultante pezzo di nanofilo è traslato per 
completare parzialmente la struttura. d) la struttura fluttuante è completata 
fondendo entrambe le estremità del quarto nanofilo [18]. 
I nanofili di semiconduttore stanno emergendo infatti come elementi di base per 
l’assemblaggio e la fabbricazione di un ampia gamma di dispositivi 
nanoelettronici e nanofotonici [18]. La manipolazione ottica di tutte le 
nanostrutture elencate apre la via all’ingegnerizzazione di nuovi dispositivi con 
nuove caratteristiche ottiche, elettroniche ed optoelettroniche. 
  
13
BIBLIOGRAFIA PREVIEW 
                                                 
 
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14
                                                                                                                                               
 
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