Diseño y caracterización experimental de sistemas de atrapamiento y manipulación de micro-objetos mediante técnicas ópticas, térmicas y acústicas

Abstract

[ES] La necesidad de confinar y manipular micro-objetos tiene aplicaciones en múltiples áreas de la ciencia y tecnología. Actualmente, existen diversas técnicas para lograr este objetivo, y una de las más destacadas es el uso de las llamadas pinzas ópticas, que se han convertido en una herramienta ampliamente utilizada en laboratorios de todo el mundo. Este trabajo de investigación se centra en el fascinante campo del atrapamiento y manipulación de micro-objetos, con un enfoque destacado en la combinación de elementos ópticos difractivos y la técnica de pinzas ópticas. Esta combinación permite un aumento de la versatilidad de los sistemas experimentales de pinzas ópticas. Los avances presentados en esta tesis tienen aplicaciones en una amplia gama de campos, desde la nanotecnología hasta la biología celular. Como lentes difractivas implementadas en los sistemas de pinzas ópticas, se introducen las lentes difractivas Kinoform basadas en la secuencia aperiódica m-Bonacci. Estas lentes permiten atrapar múltiples partículas simultáneamente y manipularlas tridimensionalmente en dos planos focales diferentes, lo que amplía significativamente las posibilidades de investigación y desarrollo en diversas disciplinas. Además, se aborda la generación de múltiples trampas ópticas mediante lentes Kinoform cuadrifocales basadas en otra secuencia aperiódica conocida como Silver Mean, permitiendo atrapar partículas en cuatro planos focales de manera simultánea. Este avance mejora significativamente la versatilidad de los sistemas de pinzas ópticas. Adicionalmente el uso de vórtices multiplexados en un sistema de pinzas ópticas, permite atrapar de manera independiente múltiples partículas y transferir momento angular. Estos avances abren nuevas posibilidades en la construcción de micromotores y aplicaciones de micro-ensamblaje. Un efecto asociado a las trampas ópticas es la generación de microburbujas, en la actualidad estas se han convertido en objeto de estudio debido a la facilidad de generación y a sus posibles aplicaciones como agentes de transporte de partículas o micro-objetos. Aprovechando este efecto en esta tesis se implementa una técnica de atrapamiento que emplea fuerzas termoforéticas en la captura y manipulación de microburbujas en líquidos. Esto constituye otro avance importante en el campo del atrapamiento tridimensional. Por último, se desarrolla un laboratorio virtual utilizando COMSOL Multiphysics para simular el atrapamiento acústico, lo que permite a los estudiantes interactuar con el sistema y comprender mejor este fenómeno. Este enfoque educativo proporciona herramientas valiosas para la comprensión y análisis de la manipulación de partículas, lo que beneficia a los estudiantes de pre-grado y grado interesados en este campo. En conjunto, todos estos avances representan contribuciones significativas en el campo del atrapamiento y manipulación de partículas, en particular a través de las pinzas ópticas, promoviendo el progreso tecnológico y científico en diversas disciplinas y brindando oportunidades educativas para futuras generaciones de investigadores y científicos. A lo largo del desarrollo de esta tesis, se han creado nuevos elementos difractivos que superan ciertas limitaciones y aumentan las capacidades de las pinzas ópticas, abriendo nuevas perspectivas de aplicación para tecnologías preexistentes.

[CA] La necessitat de confinar i manipular microobjectes té aplicacions a múltiples àrees de la ciència i la tecnologia. En l'actualitat, hi ha diverses tècniques per assolir aquest objectiu, i una de les més destacades és l'ús de les anomenades pinces òptiques, que han esdevingut una eina molt utilitzada en laboratoris de tot el món. Aquest treball de recerca se centra en el fascinant camp de la captura i la manipulació de microobjectes, destacant la combinació d'elements òptics difractius i la tècnica de les pinces òptiques. Aquesta combinació permet augmentar la versatilitat dels sistemes experimentals de pinces òptiques. Els avenços presentats en aquesta Tesi tenen aplicacions en una àmplia gamma de camps, des de la nanotecnologia a la biologia cel·lular. Com a lents difractives implementades en sistemes de pinces òptiques, es presenten les lents difractives Kinoform basades en la seqüència aperiòdica m-Bonacci. Aquestes lents permeten atrapar simultàniament múltiples partícules i manipular-les tridimensionalment en dos plans focals diferents, fet que amplia significativament les possibilitats de recerca i desenvolupament en diverses disciplines. A més, s'aborda la generació de múltiples trampes òptiques utilitzant lents Kinoform quadrifocals basades en una altra seqüència aperiòdica coneguda com a Silver Mean, que permet atrapar partícules en quatre plans focals simultàniament. Aquest avenç millora significativament la versatilitat dels sistemes de pinces òptiques. A més, l'ús de vòrtexs multiplexats en un sistema de pinces òptiques permet atrapar múltiples partícules de manera independent i transferir el moment angular. Aquests avenços obren noves possibilitats en la construcció de micromotors i aplicacions de microassemblatge. Un efecte associat a les trampes òptiques és la generació de microbombolles, actualment aquestes s'han convertit en objecte d'estudi a causa de la facilitat de generació i de les seves potencials aplicacions com a agents de transport de partícules o microobjectes. Aprofitant aquest efecte, aquesta Tesi implementa una tècnica d'atrapament que utilitza forces termoforètiques en la captura i manipulació de microbombolles en líquids. Això constitueix un altre avenç important en el camp de l'atrapament tridimensional. Finalment, es desenvolupa un laboratori virtual utilitzant COMSOL Multiphysics per simular l'atrapament acústic, cosa que permet als estudiants interactuar amb el sistema i comprendre millor aquest fenomen. Aquest enfocament educatiu proporciona eines valuoses per a la comprensió i l'anàlisi de la manipulació de partícules, cosa que beneficia els estudiants de grau i postgrau interessats en aquest camp. En conjunt, tots aquests avenços representen contribucions significatives al camp de l'atrapament i la manipulació de partícules, particularment a través de pinces òptiques, promovent el progrés tecnològic i científic en diverses disciplines i proporcionant oportunitats educatives per a futures generacions d'investigadors i científics. Al llarg del desenvolupament d'aquesta Tesi, s'han creat elements difractius nous que superen certes limitacions i augmenten les capacitats de les pinces òptiques, obrint noves perspectives d'aplicació per a tecnologies preexistents.

[EN] The need to confine and manipulate micro-objects has applications in multiple areas of science and technology. Currently, there are several techniques to achieve this goal, and one of the most prominent is the use of the so-called optical tweezers, which have become a widely used tool in laboratories around the world. This research work focuses on the fascinating field of micro-object capture and manipulation, highlighting the combination of diffractive optical elements and the optical tweezers technique. This combination allows to increase the versatility of the experimental optical tweezers systems. The advances presented in this thesis have applications in a wide range of fields, from nanotechnology to cell biology. As diffractive lenses implemented in optical tweezers systems, Kinoform diffractive lenses based on the aperiodic m-Bonacci sequence are presented. These lenses allow multiple particles to be trapped simultaneously and manipulated three-dimensionally in two different focal planes, which significantly expands the possibilities for research and development in various disciplines. In addition, the generation of multiple optical traps is addressed using quadrifocal Kinoform lenses based on another aperiodic sequence known as Silver Mean, which allows particles to be trapped in four focal planes simultaneously. This advance significantly improves the versatility of optical tweezer systems. In addition, the use of multiplexed vortices in an optical tweezer system allows multiple particles to be trapped independently and angular momentum to be transferred. These advances open up new possibilities in micromotor construction and microassembly applications. One effect associated with optical traps is the generation of microbubbles, currently these have become an object of study due to the ease of generation and their potential applications as transport agents for particles or micro-objects. Taking advantage of this effect, this thesis implements an trapping technique that employs thermophoretic forces in the capture and manipulation of microbubbles in liquids. This constitutes another important advance in the field of three-dimensional trapping. Finally, a virtual laboratory is developed using COMSOL Multiphysics to simulate acoustic trapping, allowing students to interact with the system and better understand this phenomenon. This educational approach provides valuable tools for the understanding and analysis of particle manipulation, benefiting undergraduate and graduate students interested in this field. Taken together, all of these advances represent significant contributions to the field of particle trapping and manipulation, particularly through optical tweezers, promoting technological and scientific progress in various disciplines and providing educational opportunities for future generations of researchers and scientists. Throughout the development of this thesis, new diffractive elements have been created that overcome certain limitations and increase the capabilities of optical tweezers, opening new application perspectives for pre-existing technologies.