El pasado dos de octubre se anunciaron los ganadores del premio Nobel de Física 2018. Se trata de tres científicos que inventaron herramientas hechas con luz, que tienen aplicaciones innovadoras en física, química y biología. 

 

Como comenta el Dr. José Jiménez, investigador del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM y responsable del Laboratorio de Átomos Fríos, “este es un premio Nobel muy especial. Entre los ganadores, se encuentra Arthur Ashkin, inventor de las pinzas ópticas, que con 96 años es el hombre con mayor edad en recibir el galardón. También se le otorgó a Donna Strickland, la primera mujer en 55 años en obtener el premio en física, y la tercera en la historia en recibirlo dentro de esta área. Ella, junto con su asesor Gérard Mourou, el tercero de los ganadores, obtuvo el reconocimiento por la invención de “un método para generar pulsos ópticos ultra cortos de alta intensidad”.   

 

Según el portal de la Fundación Nobel, las “invenciones que se premiaron este año han revolucionado el campo de la física del láser. Objetos extremadamente pequeños y procesos increíblemente rápidos ahora se ven de un modo completamente diferente. Los instrumentos de precisión avanzados que inventaron los ganadores están abriendo áreas de investigación que no habían sido exploradas anteriormente, y que tienen una gran cantidad de aplicaciones en la medicina y en la industria”. 

 

El Premio Nobel consiste en 9 millones de coronas suecas, equivalente a un millón de dólares o 20 millones de pesos, que se repartió del modo siguiente: la mitad la recibirá Ashkin y la cantidad restante será dividirá entre Strickland y Mourou. Pero, ¿quiénes son estos personajes y cuáles fueron sus aportaciones?

 

Arthur Askhin nació en 1921 en Brooklyn, New York, dentro de una familia judía. Obtuvo su doctorado en la Universidad de Cornell, Nueva York, y al terminar fue contratado por los Laboratorios Bell, una empresa estadounidense de investigación y desarrollo.  En esa época, el joven investigador tenía un sueño: mover objetos usando solamente luz, sin ayuda de ninguna herramienta. Esta era una idea que había aparecido varias veces en la ciencia ficción, por ejemplo, en la serie Star Trek, pero nunca se había logrado en un laboratorio.

 

En1960, Ashkin empezó a experimentar con el láser, que había sido inventado poco tiempo antes, pues se percató de que podría ser perfecto para mover objetos muy pequeños. Su primer experimento consistió en iluminar unas partículas esféricas pequeñísimas, que se movieron cuando las alcanzó el láser. Para atraer a las partículas hacia el haz de luz, el científico agregó un lente muy potente para enfocar la luz. Gracias a este lente, las partículas se movieron hacia el punto que tenía la mayor intensidad de luz. Así nació la primera trampa de luz, a la que después se llamó “pinza óptica”. 

 

De acuerdo con la Dra. Karen Volke, investigadora del Instituto de Física de la UNAM, “las pinzas ópticas son dispositivos que nos permiten atrapar objetos muy pequeños, del orden de una micra (una millonésima de milímetro), de manera completamente controlada, utilizando solamente un haz de luz láser fuertemente enfocado. Dependiendo de las carácterísticas de las partículas, pueden ser atraídas hacia las regiones de mayor intensidad de la luz o pueden ser repelidas de estas regiones”.

 

 

Varios años después del primer experimento de Ashkin, los científicos han logrado atrapar átomos individuales. Una de estas trampas de átomos se encuentra en el Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM. Al respecto de la importancia del descubrimiento de Ashkin a su área de estudio, el Dr. José Jiménez, comenta lo siguiente:

 

“Por otra parte, la importancia de este desarrollo es que no solamente podemos atrapar partículas inorgánicas, sino también objetos biológicos, como descubrió accidentalmente Ashkin, mientras intentaba manipular partículas más pequeñas en una solución. Para ello, usó unos virus, que dejó bajo el haz de luz durante la noche. A la mañana siguiente, descubrió que había un grupo de partículas que se movían muy rápidamente. Cuando las vió en el microscopio, se percató de que se trataba de bacterias que, cuando se movían cerca del haz del láser, eran capturadas por la trampa de luz. También se dio cuenta de que [al manipularlas] el láser verde mataba a las bacterias, por lo que [para mantenerlas vivas] decidió usar láser infrarojo”

Hoy en día, las aplicaciones de las pinzas ópticas son muy variadas en medicina y en biología, y algunas de ellas podrían ser parte de una novela de ciencia ficción. Es posible observar, voltear, cortar, empujar células con un haz de luz sin tocarlas. Por ejemplo, se usa en investigaciones que involucran la fertilización in vitro, pues permite manipular los óvulos y los espermas. En muchos laboratorios, las pinzas ópticas se usan para estudiar procesos biológicos, por ejemplo, las proteínas. También se usan para separar células cancerosas de aquellas sanas.

 Fuente: EcuRed

De acuerdo con el Dr. Pedro Quinto, responsable del Laboratorio de Óptica Aplicada del Instituto de Ciencias Nucleares, “el descubrimiento de las pinzas ópticas revolucionó muchas áreas de la ciencia, no solo la física, sino la biotecnología y la medicina”. El Dr. Quinto usó pinzas opticas, combinadas con otra técnica llamada “explosiones microscópicas”, para crear un pequeño artefacto que opera con luz, similar a un motor de pistón, que consiste en una esfera de entre una y tres micras de diámetro, que se mueve dentro de un haz de luz. Su investigación se publicó en la revista Nature Communications. 

 

Atletas del láser
Donna Strickland nació en Guelph, Canadá, en 1959. Estudió la licenciatura en física en la Universidad de MacMaster del mismo país y el doctorado en óptica en la Universidad de Rochester, en Estados Unidos. En 1997 se integró al departamento de física de la Universidad de Waterloo en Canadá. En cuanto llegó al laboratorio se sintió deslumbrada por los láseres de colores, “que brillaban como luces en un árbol de navidad” y con la posibilidad de “jugar con ellos”.  También quedó fascinada por la investigación de su asesor Gérard Mourou, un científico francés pionero en el campo de la investigación con láseres, quien estaba intentado amplificar pulsos cortos de láser a niveles sin precedente.

Los láseres pueden ser “láseres continuos”, que emiten ondas continuas de luz, o “láseres pulsados”, que emiten luz en pulsos o intervalos regulares. Como comenta la Dra. Volke, “es relevante obtener láseres con pulsos muy cortos pues incluso se pueden ‘esculpir’ superficies de luz con ellos”. 

         Láseres continuo y pulsado. Fuente: Surelite

Junto con su asesor, Strickland desarrolló una técnica llamada chipred pulse amplification, que era simple y elegante. Si uno toma un pulso corto de láser, lo puede estirar en el tiempo, después amplificarlo y finalmente “apachurrarlo” de nuevo. Como el puso se comprime en el tiempo, más luz queda “empacada” en un espacio pequeño, por lo que la intensidad del pulso se incrementa enormemente.

Esta técnica tiene algunas aplicaciones interesantes. Por ejemplo, el desarrollo de aparatos electrónicos más rápidos, la terapia para el cáncer, celdas solares más eficientes, y nuevas fuentes de energía.

Cuando Strickland recibió la noticia de que había ganado el premio Nobel comentó: “esto es una locura, ¿está ocurriendo realmente?”. Cuando le preguntaron por qué estudió ciencia, ella contestó: “en la preparatoria nunca tuve talento para el arte, tampoco para los deportes, para la música o para escribir, pero era buena con la ciencia. Ahora me siento como una atleta del láser”.

Por su parte, Mourou dijo estar “muy emocionado sorprendido y abrumado” con el anuncio. Con una sonrisa en la cara dijo: “a mi edad uno ya no se preocupa por los premios, pero ciertamente estoy feliz”. 

Dra. Gabriela Frías Villegas / Unidad de Comunicación del ICN