fbpx
Назад
09 сентября, 2021

Оптический пинцет. Открытие, принесшее автору Нобелевскую премию.

Обычный пинцет позволяет манипулировать небольшими предметами, которые невозможно или нежелательно брать незащищенными руками. Но как быть, если необходимо переместить отдельный атом? В этом ученым помогает оптический пинцет.

 

 

История создания оптического пинцета

 

За последние десятилетия с помощью лазеров было сделано немало выдающихся открытий. И некоторые из них принесли своим авторам Нобелевские премии. В том числе и оптический пинцет.

Предположение о том, что свет оказывает давление на физические тела, было сделано еще в XVII веке астроном Кеплером. Теоретическое описание этого эффекта спустя 200 лет дал Джеймс Максвелл, а в 1910 году он был экспериментально подтвержден российским физиком Петром Лебедевым.

Исследование воздействия света на отдельные микроскопические частицы стало возможным после изобретения лазера в 1961 году. Уже в 1970-м в журнале «Physical Review» вышла работа Артура Ашкина «Ускорение и захват частиц давлением излучения». В 1987 году Ашкин продемонстрировал управление и захват одиночных частиц с помощью инфракрасного лазерного излучения. В 2018 году за свое изобретение Ашкин получил Нобелевскую премию по физике. 

Начиная с 1980-х годов оптический пинцет широко используется для проведения исследований в биологии.

 

 

Принцип действия оптического пинцета

 

Как известно, фотон — это частица, не имеющая массы покоя, но характеризующаяся энергией E и импульсом p. Если он попадает на отражающую поверхность, то сообщает ей свой импульс. 

Но что произойдет, если фотоны попадут на прозрачную частицу?

В этом случае пучок отклонится на некоторую величину. Направление импульса и, соответственно, скорости изменится. При этом возникнет сила, которая заставит частицу сместиться в сторону наибольшей интенсивности излучения.

 

Схема удержания частицы оптическим пинцетом. Источник фото: old.nanonewsnet.ru

 

И здесь вступает в силу особенность лазерного пучка: энергия в нем распределена неравномерно. Интенсивность излучения в центре выше, чем по краям, и подчиняется так называемому распределению Гаусса. В результате попавшая в такое поле частица начнет смещаться к центру пучка. Если же излучение сфокусировать, то она втянется в точку фокуса и окажется пойманной. Перемещая фокус, можно управлять положением частицы.

Для работы оптической ловушки не нужна высокая интенсивность излучения. В опубликованной в журнале Review Scientific Instruments статье Ньюмана и Блока «Optical trapping» (2004 год) приводится оценка максимальной величины светового давления: она составляет 1 пН на 10 мВт мощности лазерного излучения. Это на три порядка превышает влияние силы тяжести на частицу микронного размера и достаточно для ее удержания.

На практике же мощность может варьироваться от нескольких десятков милливатт до ватта и более — в зависимости от используемого лазерного оборудования и решаемых задач.

 

 

Развитие технологии

 

Простейшая концепция с использованием гауссовых пучков имеет ряд недостатков, связанных с расходимостью лазерного излучения. Из-за дифракционных явлений получить идеально параллельный пучок невозможно, и, кроме того, чем сильнее он стянут в фокус, тем сильнее расходится после него. Эти факторы делают невозможным удержание частицы за пределами фокального пятна, а также удержание нескольких частиц.

Закономерно, что ученые стали искать пути обхода этого ограничения. И технология оптического пинцета получила развитие за счет использования излучения с модовым составом более высокого порядка:

  • эрмит-гауссовых пучков;
  • лаггер-гауссовых пучков;
  • бесселевых пучков.

 

Распределение интенсивности в пучках: а) гауссов; б) эрмит-гауссов; в) лаггер-гауссов г) бесселев

 

Если гауссов пучок может втягивать в себя только преломляющую частицу, то с помощью лаггер-гауссова можно управлять отражающими и поглощающими объектами, а также вращать их вокруг центра пучка. 

Бесселев пучок в проекции на экран представляет собой яркое пятно в окружении концентрических колец. Чтобы его получить, обычный гауссов пучок фокусируют с помощью аксикона — конической линзы. Причем в результате фокусировки получается не точка, а так называемый «световой шнур»: то есть на коротком отрезке на оптической оси пучок не расходится.

У бесселева пучка есть еще одно важное достоинство: он способен самовосстанавливаться за счет волн, проходящих мимо препятствия. Их интерференция восстанавливает первоначальное распределение интенсивности.

Благодаря этим свойствам с помощью бесселевых пучков не только удобно захватывать частицы на относительно протяженном участке, но и осуществлять операции с несколькими частицами одновременно.

Для манипуляций с большим числом объектов также используют мультиплексные лазерные пинцеты, разбивая излучение лазера на несколько пучков с помощью модуляторов и дифракционных элементов.

 

 

Значение открытия для науки

 

Удивительно, но изобретение оптического пинцета, принесшее Артуру Ашкину Нобелевскую премию по физике, произвело революцию в первую очередь в биологии.

Для манипуляций с клетками, белками и ДНК не подходят механические инструменты. А с помощью оптического пинцета этими объектами можно управлять бесконтактно. Кроме того, биологические объекты слабо поглощают длину волны 1064 нм, поэтому воздействие излучения не приводит к их повреждению.

Эти факторы позволяют исследовать живые клетки и бактерии, а также проводить внутриклеточные операции invivo. 

Отдельного внимания заслуживает исследование внутриклеточных процессов, таких как движение моторных белков — кинезина и миозина.

Конечно, оптические пинцеты применяются не только в биологии. Способность лазерного излучения захватывать и удерживать микроскопические объекты применяется и в других областях науки — физике, химии.

Адаптация технологии для захвата и охлаждения отдельных атомов позволила получить предсказанный еще в 1925 году бозе-конденсат — агрегатное состояние вещества, в котором оно состоит из бозонов, охлажденных до близких к абсолютному нулю температур. Открытие сильно продвинуло исследование квантовых явлений, позволив наблюдать их на макроскопическом уровне.

Оптические пинцеты используются в проведении ДНК-исследований, для клеточной сортировки, исследований крови, изучения поведения частиц в магнитных полях и в других передовых областях науки и техники, поэтому значение этого открытия трудно переоценить.

Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новых публикаций об исследованиях и открытиях, сделанных с помощью лазерных технологий.