Academia Mexicana de Ciencias
Boletín AMC/120/15
México, D.F., 21 de mayo de 2015

• La interacción de la luz con la materia permite un mayor control de los objetos que se manipulan, lo que la convierte en una herramienta eficaz, ejemplo de ello son las pinzas ópticas, una instrumento de micromanipulación con una amplia variedad de aplicaciones en biología y física

La doctora Karen Volke durante la charla “Historias breves de luz y fuerza” en abril pasado, en el marco del Ciclo de Conferencias Magistrales que organizan la Sociedad Mexicana de Física, la Academia Mexicana de Ciencias y la Facultad de Ciencias como parte de las actividades de 2015 Año Internacional de la Luz y las tecnologías basadas en la luz.
Foto: Elizabeth Ruiz Jaimes/AMC.
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El estudio de la luz y la óptica brinda grandes posibilidades para realizar investigación de frontera y desarrollo tecnológico. La luz tiene fascinantes efectos sobre la materia, uno de ellos es su capacidad de ejercer fuerza y presión, destacó Karen Volke, investigadora del Instituto de Física de la UNAM (IFUNAM).

Ejemplo de lo anterior es que gracias a la luz se puede lograr desde la propulsión de un velero solar hasta la captura de una bacteria por medio de un láser, fenómenos que se explican por la fuerza que ejerce la luz sobre la materia, propiedad que explicó el físico británico James Clerk Maxwell en el siglo XVIII:

“En un medio en el que las ondas se propagan -escribió- hay una presión en la dirección normal a las ondas, numéricamente igual a la energía en una unidad de volumen”.

Velero Solar

Ahora se sabe que la luz es capaz de ejercer presión sobre los objetos, pero llegar a esta afirmación requirió de muchos años de trabajo, teorías y experimentos. En la primera mitad del siglo XVII Johannes Kepler se preguntó si la radiación ejercía algún tipo de presión o no. El propio astrónomo y matemático alemán respondió de forma afirmativa a la interrogante y para ello explicó el fenómeno con la dirección que toma la cola de los cometas. Dijo que este objeto, independientemente de donde se moviera su cauda, siempre apuntaba en dirección opuesta al Sol. “Hoy sabemos que este efecto de la cola de los cometas no es solo por la radiación sino principalmente por el viento solar”, señaló la investigadora.

Dos siglos después, en 1873 Maxwell demostró teóricamente que la luz por sí misma podía ejercer fuerzas ópticas, denominadas presión de radiación. Quien también intentó demostrar la fuerza de la luz sobre la materia fue el científico Williams Crookes, inventor del radiómetro de Crookes o molino de luz, el cual consiste en una bombilla en cuyo interior se halla un bulbo y en la punta de éste, contraria a la base, una aguja con cuatro pequeñas paletas, dos plateadas de un lado y dos negras del otro.

Lo que se buscaba con este invento es que las paletas giraran cuando la luz fuera reflejada por la cara plateada, ya que la transferencia de momento lineal -es decir, la fuerza- de la luz reflejada sería aproximadamente el doble que el de la luz absorbida en la cara negra. Efectivamente, el molino gira al ser expuesto a la luz, pero de manera contraria a lo que se esperaba. Esto ocurre porque los efectos térmicos que provoca un movimiento hacia las zonas de menor temperatura, dominan sobre la presión de radiación. Entonces este experimento tampoco logró explicar la fuerza de la luz.

En 1972 el escritor y científico Arthur C. Clarke, publicó “El viento del Sol: Relatos de la era espacial” en el cual propone una carrera de veleros solares impulsados por el viento solar, una de las ideas con las que trabajaba en ese entonces, y tal vez inspirados por este libro, a inicios del presente siglo, se iniciaron proyectos con veleros solares – impulsados gracias a la luz del sol-, como fue el caso del Cosmos1, un velero con forma de disco de 100 kilogramos de peso y ocho velas triangulares dispuestas como las aspas de un ventilador, que unidas formaban un círculo de 30 metros de diámetro.

Se trataba de un proyecto privado desarrollado por la Sociedad Planetaria, entidad co-fundada por el célebre astrónomo y cosmólogo Carl Sagan, y financiado por varias organizaciones. El velero fue desarrollado por el Centro Científico Espacial Lavochkin de Moscú y otras entidades. Se lanzó al espacio el 21 de julio de 2005, pero no alcanzó su órbita debido a una falla en los propulsores del cohete que lo transportaba y que había sido lanzado desde un submarino ruso en el mar Barents.

Con este experimento fallido, en 2009 se inició el LightSail1, el cual aún se encuentra en tierra pero su lanzamiento está programado para abril de 2016, después de veinte años del fallecimiento de Sagan. Se trata de un pequeño satélite de 30 centímetros de diámetro con forma de cubo, construido por la firma Stellar Exploration. Este nuevo proyecto también es financiado por la Sociedad Planetaria.

Karen Volke destacó que pese a estas fallas “el funcionamiento de un velero solar ya se demostró en 2010 con el proyecto japonés Ikaros, una nave-papalote interplanetaria de 15 kilogramos. Un año después, la NASA puso en órbita el velero solar NanoSail-D, con lo que quedó plenamente demostrado que la luz es capaz de empujar aun objetos macroscópicos utilizando la presión (fuerza) de radiación”.

Las delicadas manos de la luz

Mientras en el mundo ha habido gente que ha dedicado sus esfuerzos a demostrar la fuerza de la luz sobre objetos en el espacio, en otros puntos del planeta se empezó a estudiar su efecto sobre objetos microscópicos: “Se dieron cuenta que la luz no sólo podía ejercer presión sobre ellos y empujarlos, sino también atraparlos en las regiones de mayor intensidad”, con lo que surgieron las pinzas ópticas.

Desde su invención en 1986, las pinzas ópticas son una potente herramienta de micromanipulación que actualmente cuenta con una amplia gama de aplicaciones en biología y física, áreas en las que es posible guiar, atrapar y separar objetos microscópicos, como una célula.

Las pinzas ópticas son capaces de manipular partículas dieléctricas tanto de tamaño nanométrico como micrométrico ejerciendo fuerzas extremadamente pequeñas por medio de un haz láser altamente enfocado. El haz es típicamente enfocado enviándolo a través de un objetivo microscópico.

Una explicación apropiada del comportamiento del atrapamiento óptico depende del tamaño de la partícula atrapada relativo a la longitud de onda de la luz utilizada para atraparla. En casos en donde las dimensiones de la partícula son mayores que esta longitud de onda, un simple tratamiento de rayos es suficiente. Por otro lado, si la longitud de onda de la luz excede a las dimensiones de la partícula, entonces las partículas deberán ser tratadas como pequeños dipolos eléctricos en un campo eléctrico.

Karen Volke mencionó, en el marco de la conferencia “Historias breves de luz y fuerza”, en el auditorio del edificio Yelizcalli de la Facultad de Ciencias de la UNAM, que la interacción de la luz con la materia permite un mayor control de los objetos que se manipulan, aspecto importante porque se ha vuelto una herramienta eficaz.

La plática impartida por Volke en abril pasado fue la segunda programada en el Ciclo de Conferencias Magistrales que organizan la Sociedad Mexicana de Física, la Academia Mexicana de Ciencias y la Facultad de Ciencias como parte de las actividades de 2015 Año Internacional de la Luz y las tecnologías basadas en la luz.

Elizabeth Ruiz Jaimes.