Olografia, realtà virtuale e pinzette ottiche insieme in una nuova tecnica che consente di manipolare con precisione gli oggetti nel mondo microscopico. Un po’ come rimpicciolirsi un milione di volte. Da Sapienza la tecnica per nuotare tra le cellule

Durante la seconda metà del XVII secolo, scienziati come Robert Hooke e Anton van Leeuwenhoek hanno rivelato al mondo la bellezza e la complessità “dell’immensamente piccolo” grazie all’invenzione e al miglioramento del microscopio. Secoli di sviluppi in questo campo hanno poi perfezionato gli strumenti ottici, producendo immagini sempre più dettagliate e prive di aberrazioni. In tempi più recenti, laser, fotocamere digitali e computer stanno permettendo ai ricercatori di andare oltre la semplice osservazione, consentendo addirittura di manipolare direttamente i campioni.

Ed è proprio in questa direzione…

che si stanno muovendo gli esperti del gruppo di ricerca coordinato da Roberto Di Leonardo, ordinario al dipartimento di fisica di Sapienza Università di Roma, e i colleghi del Cnr Nanotec. Gli scienziati hanno messo a punto un sistema che, partendo dalla  scansione olografica di un campione biologico in vivo, permette la riproduzione di un ambiente 3D in tempo reale di tutto quello che c’è sotto il vetrino del microscopio. Ma non finisce qui: tramite un visore per realtà virtuale, lo sperimentatore può addirittura immergersi in questo spazio tridimensionale, interagendo direttamente e con precisione con il campione in esame. I dettagli della tecnica sono stati pubblicati sulla rivista Scientific Reports del gruppo Nature.

Ma andiamo per ordine ed esaminiamo tutti i punti di forza del lavoro.

Il campione non è fittizio

In tutte le precedenti applicazioni, il campione era esso stesso un modello simulato tramite un software. In questo modo il risultato finale era totalmente artificiale. Con questo nuovo sistema, invece, gli oggetti osservati sono del tutto reali: ne viene riprodotta in maniera fedele la posizione nello spazio e la forma nell’ambiente tridimensionale dove sono “ispezionati”. É un po’ come essere virtualmente miniaturizzati. Calarsi in mondi reali ma fisicamente inaccessibili per esplorarli e manipolarli “dall’interno”.

Visione in tempo reale

Sfruttando la potenza di calcolo delle moderne unità di elaborazione grafica Gpu, è possibile generare un ambiente 3D in pochi millisecondi. Seguire i vari input dell’utente sarà semplice. Con questo intervallo di tempo così trascurabile avremo un esperienza di navigazione particolarmente fluida.

Micromanipolazione precisa e diretta

Su questo punto è utile spendere qualche parola in più. Il sistema usato, quello delle cosiddette “pinzette ottiche”,  o “trappole ottiche”, si basa sulla tecnologia laser. É stata sviluppata dal fisico Arthur Ashkin. Ciò gli è valso il premio Nobel per la Fisica nel 2018. Scienziato americano, Ashkin ha lavorato ai Bell Laboratories e Lucent Technologies in New Jersey. Lì, alla fine degli anni sessanta, ha iniziato la sua sperimentazione sulla manipolazione delle micro masse, aprendo così la strada al processo dell’intrappolamento ottico. Il meccanismo che oggi ha permesso al gruppo di Di Leonardo di manipolare atomi, molecole e cellule biologiche.

Il principio di funzionamento

si basa sull’utilizzo di un raggio laser estremamente focalizzato, in grado di “vincolare” i campioni. Usa la pressione del moto dei fotoni che compongono il fascio luminoso. Analogamente a quanto accade a una pallina da ping-pong in equilibrio su un getto d’acqua, le particelle rimangono “intrappolate” in quella posizione precaria: modulando il laser, è poi possibile spostare l’oggetto di studio insieme al fascio di fotoni che lo colpisce.

Conclusioni e dimostrazioni

É possibile visionare alcuni video dimostrativi molto suggestivi nei materiali supplementari della pubblicazione

Gli autori del lavoro, hanno testato la loro tecnica in un microambiente popolato da batteri che nuotano. Il loro moto e la loro posizione nell’ambientazione 3D corrispondevano in maniera simultanea a quella sul vetrino nella realtà. È stato possibile anche “afferrare” queste cellule e spostarle in un altro punto a piacere, con estrema precisione. “Un limite attuale del nostro sistema”, spiegano i ricercatori, “sta nella difficoltà di discriminare gli oggetti vicini in condizioni di alta densità, perché questo può dare origine ad artefatti”. Ma nonostante questo, con tale tecnica saremo in grado di descrivere la realtà microscopica in maniera accurata, e di assemblare microstrutture complesse in modo più semplice. Potendo disporre di più trappole ottiche, sarà come se avessimo più mani per afferrare e ruotare gli oggetti microscopici, per sviluppi applicativi davvero innumerevoli.