Manipolazione ottica di nanotubi di carbonio e nanocilindri d'oro

Sin dalla prima dimostrazione operata da Ashkin e collaboratori, le trappole ottiche a singolo fascio o “pinzette ottiche” sono divenute uno strumento sempre più usato per la manipolazione di oggetti microscopici e come trasduttore di forze nel range del pico-Newton. Esse trovano ormai applicazione in molti campi della biologia, della fisica, dell’ingegneria dei materiali. Sono strumenti importanti per selezionare e organizzare cellule, controllare il moto batterico, misurare forze lineari e torsionali, alterare strutture biologiche tramite modificazione delle membrane cellulari, fusione cellulare, o studiare l’interazione tra globuli rossi e virus. In fisica, la possibilità di applicare forze dell’ordine del pico-Newton a particelle micro e nanometriche e, allo stesso tempo, di misurare il loro spostamento con precisione nanometrica è di cruciale importanza. Uno degli aspetti più innovativi delle pinzette ottiche è il loro recente utilizzo per la manipolazione, la rotazione controllata e l’assemblaggio di nanostrutture (quali nanotubi di carbonio, nanofili di semiconduttore e nanocilindri d’oro) che apre la strada al loro utilizzo nell’ambito delle Nanotecnologie.
Nelle ultime due decadi si è assistito ad un rapido avanzamento nell’abilità di strutturare la materia su scala nanometrica con un incredibile livello di controllo nelle dimensioni, forme, composizioni e morfologia. Gli strumenti di nanospettroscopia e nanomicroscopia hanno ulteriormente facilitato l’indagine, la caratterizzazione e la progettazione di nanostrutture. A questa scala di dimensioni, i materiali esibiscono proprietà ottiche, elettroniche e magnetiche peculiari che rendono le nanostrutture attraenti per una grande varietà di applicazioni.
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.