Pincetai molekulėms: už kuriuos jie apdovanojo Nobelio fizikos premiją 2018 m

<

Šiais metais Nobelio premija buvo suteikta fizikams, kurie rado atradimus lazerių srityje. Mes suprantame, ką verta žinoti.

Antradienį, spalio 2 d., Švedijos mokslų akademija skyrė Nobelio fizikos premiją "už novatoriškus išradimus lazerių srityje". 96 metų amerikiečių fizikas Arthur Ashkin, išradęs optinius pincetus, gaus pusę prizo, kitą pusę dalinsis Gerard Mourou ir Donna Strickland, kurie sukūrė femtosekundinių petawatt lazerinių impulsų generavimo metodą.

Kaip lazeris tapo pincetu

Mažiems objektams kontroliuoti, pavyzdžiui, antakiams nugriebti arba atskirti piktžoles nuo grikių - patogu naudoti pincetus, kurie gali mechaniškai patraukti ir laikyti dominančius objektus. Deja, neįmanoma perkelti mikrono dydžio gyvų ląstelių, baltymų ir molekulių į paprastus pincetus: bet koks bandymas užfiksuoti tokį objektą sukels jo sunaikinimą, o tolesnės manipuliacijos praranda savo prasmę. Norint įveikti šią kliūtį, amerikiečių fizikas Artūras Eshkinas sukūrė optinius pincetus - prietaisą, kuris naudoja lazerio spindulį mikroskopiniams objektams perkelti, išsaugodamas jų vidinę struktūrą.

Apskritai optinių pincetų veikimas priklauso nuo perkeliamo objekto dydžio. Pirmiausia, apsvarstykite situaciją, kai objekto matmenys viršija lazerio spinduliuotės bangos ilgį - d> λ . Ši sąlyga leidžia mums naudoti geometrinės optikos aproksimaciją, kad apskaičiuotų dalelių trajektorijų, atspindėtų ir suskaidytų, trajektorijas. Dėl paprastumo dalelę galite įdėti į idealią sferą (M sklaida).

Be to, pastebime, kad ant dalelės išsklaidyta elektromagnetinė banga jai perduoda tam tikrą pagreitį - todėl sukuria efektyvią jėgą, kuri verčia dalelę išilgai elektrinio lauko kvadrato gradiento, ty į šviesos intensyvumo didėjimą (todėl jėga vadinama gradientu). Dėl to dalelė bus „paspaudžiama“ prie spindulio ašies, prie kurios artimiausia lazerio intensyvumas yra didžiausias. Tačiau, jei dvi dalelės yra nukreiptos priešinga kryptimi, arba lazeris yra sutelktas objektyvo sistemos pagalba, tada jis gali būti „pritvirtintas“ trimis matmenimis ir padarytas judėti po fokusavimo taško.

Norėdami suprasti, kaip atsiranda gradiento jėga, įsivaizduokite plokščią tikslą su S sritimi, kuri yra atleista su masės m ir v greičio impulsais, ir kulkų koncentracija (kulkų skaičius viename kubiniame metre) yra n . Kai granulės atsilieka nuo tikslo, ji perduoda impulsą p = 2mv . Laiko metu Δt apie tikslą nukrenta kulkų N = nSvΔt, kuris suteiks jam momentą ΔP = pN = 2Snmv2Δt . Naudojant antrąjį Niutono įstatymą, matome, kad tikslą veikia jėga F = ΔP / Δt = 2Snmv22 . Optinių pincelių atveju taikinys yra mikrodalelė, o sijos - elektromagnetinės bangos fotonai. Dėl sudėtingos dalelės formos efektyvi jėga apskaičiuojama sudėtingiau, tačiau jo pobūdis lieka toks pat.

Jei mikrodalelių skersmuo pasirodo mažesnis už lazerio bangos ilgį ( d <λ ), optinių pincetų veikimą galima paaiškinti naudojant elektrinį dipolio aproksimavimą. Kai tokia dalelė patenka į lazerio spindulio elektrinį lauką, jo įkrova perskirstoma virš tūrio ir jame sukelia elektrinį dipolio momentą. Kita vertus, elektrinio lauko dipolo energija priklauso nuo jo orientacijos. Todėl, siekiant sumažinti šią energiją, mikrodalelės sukasi ir „nuskaito“ palei lauko gradientą. Pasirodo, kad efektyvi gradiento jėga veikia lazerio pusę. Priešingu atveju šis atvejis sutampa su atveju d> λ . Norėdami gauti daugiau informacijos apie principus, kuriais grindžiami optiniai pincetai, galite skaityti straipsnį „OPTICAL Tweezers of Technical Sciences“ A. Golubev.

Optinės žnyplės / „Wikimedia Commons“ veikimo schema

Pirmą kartą gradiento jėgas eksperimentiškai atrado Arthur Eshkin 1970 m. Spartinimo ir gaudymo dalelių spinduliuotės slėgiu. Po to fizikui dar 16 metų teko patobulinti technologiją ir sukurti pirmuosius pilnos apimties optinius pincetus, galinčius užfiksuoti ir judėti mikroskopines daleles. Iš esmės mokslininkui trukdė terminių virpesių atomai, kuriuos jis bandė užfiksuoti, ir tuo metu turimų mažų lazerių galios. Po metų, Eshkin, užfiksavęs tabako mozaikos virusą ir bakteriją Escherichia coli, naudojant optinius pincetus, parodė, kad jo technologija gali būti naudojama biologiniams objektams tirti. Be to, sumažindamas lazerio spindulio bangos ilgį, mokslininkas užtikrino, kad bakterijos išliktų gyvybingos ir toliau dauginasi, įstrigusios optinį spąstus.

Eshkino vystymasis atliko svarbų vaidmenį tiriant daugelį biologinių procesų, ypač molekulinių mašinų, kurių tyrimui Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart ir Bernard Fehring 2016 m. Gavo Nobelio chemijos premiją. Be to, naudojant optinius pincetus, mokslininkai pamatė, kaip kinezino molekulė „pasivaikščioja“ išilgai mėginio paviršiaus, ir matavo didelės skiriamosios gebos optinius pincetus, skirtus vienos molekulės manipuliacijai, su kuria ji gali traukti objektus. Norėdami tai padaryti, mokslininkai molekulės galą prijungė prie mikroskopinės sferos, suspenduotos optiniame gaudyklėje, ir matavo, kiek molekulė gali „ištraukti“ rutulį nuo jo pusiausvyros padėties. Be to, naudojant optinius pincetus, biofizikai išmoko surinkti dirbtines ląsteles į užsakytas struktūras ir išmatuoti biopolimerų viskozelines savybes, naudojant optinius pincetus.

Molekulinės mašinos stiprumo matavimas naudojant optinius pincetus / Nobelio premiją

„MIPT“ funkcinių mikrostruktūrų 3D spausdinimo laboratorijos darbuotojas Dmitrijus Čubichas komentavo „Arthur Eshkin“ raidą: „Optiniai pincetai yra aktyviai naudojami biologijoje - jums reikia pasiimti lazerio bangos ilgį, kad dalelė neužsuktų, ty nešildo. Tokiu atveju jūs galite judėti, pavyzdžiui, gyvą ląstelę ar organelius ląstelėje savavališkai, o ląstelė nesugriauna, lieka nepaliesta ir gyvybinga. Be to, jis gali būti dedamas ten, kur reikia, keleto šimtų nanometrų tikslumu - priklausomai nuo lazerio bangos ilgio. "

Rusijos mokslų akademijos Jungtinio aukšto temperatūros instituto (JIHT) lazerinės plazmos skyriaus vedėjas Michailas Agranatas kalbėjo apie vieną iš šių projektų. Pasak jo, jo darbuotojai kartu su kolegomis iš Maskvos valstybinio universiteto sukūrė kombinuotą įrenginį, kuriame derinamas lazerinis skalpelis ir pincetas. Naudodamiesi šia sąranka, mokslininkai sugebėjo supjaustyti embriono apvalkalą ankstyvosiose pasidalijimo stadijose ir pašalinti polinį kūną su pincetu, kurio tyrimas leidžia spręsti dėl embriono būklės, ypač genetinių anomalijų. Be to, šviesos įrankiai leidžia eksperimentuoti su ląstelių sferoidais.

Žinoma, optiniai pincetai naudojami ne tik biofizikoje, bet ir kitose mokslo srityse. Pavyzdžiui, jie gali būti naudojami valdyti atskirus atomus - šių metų kovo mėnesį Australijos fizikai matavo A-atominės 3D sub-attonewton jėgos jutiklį per 100-ąsias attonutono jėgos, veikiančios vienai atomai, ir balandžio mėn. iš dviejų atomų rezervuaro cheminė reakcija tarp atskirų šarminių metalų atomų. Be to, „Eshkin“ plėtra taip pat taikė programas - pavyzdžiui, šių metų sausio mėn. Amerikiečių inžinieriai gavo optinio pinceto „A“ fotoforezės-spąstų tūrinį ekraną, spalvų trimatį vaizdą, panašų į hologramas iš mokslinės fantastikos filmų.

Įdomu tai, kad Steven Chu, vienas iš 1986 m. Popieriaus, kuris pirmą kartą aprašė optinius pincetus, bendraautoriai, gavo Steven Chu. Faktai, susiję su Nobelio fizikos premija. Skirtingai nuo Eshkino, kuris daugiausia dėmesio skyrė optinių pincelių naudojimui biofizikoje, Chu pritaikė šią technologiją, kad atvėsintų neutralius atomus iki itin žemos temperatūros, o tai leido fizikams praktiškai gauti Bose-Einšteino kondensatus. Daugelyje interviu Chu paminėjo Nobelio fizikos tyrimą Eshkino indėlį į technologijų plėtrą; Šis įnašas dabar oficialiai pripažįstamas. Be to, verta paminėti, kad rugsėjo 2 d. Arturas Eshkinas buvo 96 metų amžiaus - tai yra seniausias Nobelio premijos laureatas istorijoje.

Suspaustos ir sustiprintos šviesos

Kitų laureatų kūrimas - „Gerard Moore“ ir „Donna Strickland“ taip pat yra susiję su lazerio spinduliais ir taip pat leidžia ištirti procesus elementariųjų dalelių lygiu.

Pirmieji lazeriai - optiniai kvantiniai generatoriai, gaminantys nuoseklius, monochromatinius, poliarizuotus ir siaurai nukreiptus elektromagnetinės spinduliuotės impulsus - buvo pastatyti 1960-ųjų pradžioje. Naudojant tokius impulsus, labai patogu ištirti medžiagų vidinę struktūrą ir stebėti jose vykstančius procesus - pavyzdžiui, „pamatyti“, kaip elektronai išsklaido dielektriką. Norėdami tai padaryti, turite apšviesti lazerį ant medžiagos ir išmatuoti jo reakciją. Kuo didesnė lazerio blykstės galia, tuo stipresnė medžiaga reaguoja į jos poveikį. Kita vertus, kuo ilgiau blykstė laikui bėgant, tuo sunkiau atskirti „atsaką“ į pradinį efektą. Todėl per visą lazerių studijų istoriją fizikai bandė padidinti lazerio impulso galią ir sumažinti jo trukmę. Dėl to fizikai naudojo vis daugiau galingų stiprintuvų, dėl kurių lazeris generuoja daugiau fotonų.

Devintojo dešimtmečio viduryje mokslininkai sužinojo, kaip gauti tokius galingus ir trumpus lazerinius impulsus, kad stiprintuvo medžiaga negalėjo atsistoti ir įrenginys žlugo. Atrodo, kad fizika yra užsikimšusi. Laimei, Gerard Moore ir Donna Strickland šią problemą beveik iš karto išsprendė sukūrę Chirped impulso stiprinimo (CPA) techniką 1985 m. Iš esmės šis metodas yra gana paprastas.

Pirmajame etape mokslininkai padidina lazerio pulso spektro plotį - „ištempti jį laiku“ - pasitelkdami dispersinę optinę sistemą (prizų porą). Tada impulsas stiprinamas standartiniais metodais; dėl impulso „tempimo“, jo didžiausia energija mažėja, todėl įrenginys nesumažėja. Galiausiai paskutiniame etape impulsas vėl „suspaustas“, naudojant difrakcines groteles. Kaip rezultatas, chirped impulso galia gali pasiekti 1015 vatų su vienos femtosekundės tvarka (10–15 sekundžių). Šiuo metu chirpuotas amplifikavimas yra pagrindinis būdas gauti super galios lazerinius impulsus.

Pulsuotų impulsų stiprinimo / Nobelio premijos technika

Femtosekundiniai lazeriai, sukurti „Moore“ ir „Strickland“, šiuo metu naudojami pramonėje; iš esmės jie gali būti laisvai įsigyti už priimtinus pinigus. Tai nėra kažkas keisto dalyko, pvz., Grafeno, kuris vis dar nėra parduotuvėje. Tokie lazeriai yra beveik visuose universitetuose - kur žmonės užsiima optika.

Sergejus Makarovas, Hibridinės nanofotonikos ir optoelektronikos ITMO laboratorijos vadovas

Šios populiarumo priežastis yra paprasta: naudodami femtosekundinius lazerius, galite atlikti daug svarbių eksperimentų ir ištirti fizinius procesus su labai didele laiko raiška. Pavyzdžiui, nufotografuokite kampinio momento nuotrauką, sukėlusius kietosios būsenos fotoemissioną, sustiprintą vidinės atominės sąveikos fotosakartojimo procesu, ir atsekti elektrono atskyrimą nuo vandenilio atomo elektronu, padidinant elektronų pagreitį. cheminės reakcijos impulso sužadinimo greitis ir „išpūsti“ grafeno formavimasis į trimatę formą grafeno lakštu. Šiuo metu fotoaparatų, naudojančių chirpuotus impulsus, „ugnies sparta“ viršija nuosekliai nustatytą visų optinių žemėlapių fotografavimo (STAMP) trilijonų kadrų sekundę.

Lazerinių impulsų maksimalios galios priklausomybė nuo laiko: kairiausias taškas atitinka pirmąjį lazerį istorijoje, CPA nurodo pirmąjį lazerį, pagrįstą chirpuotų impulsų stiprinimu / Nobelio premija

Rusijos mokslų akademijos Tolimųjų Rytų filialo Automatikos ir kontrolės procesų instituto Olegas Vitrikas kalba apie chirpuotus impulsus: „Paprastai juos naudojame tyrimo medžiagai ištirti. Jei impulsas trunka ilgai, pirmasis impulso priekinis elementas sukelia tam tikrą atsaką į medžiagą, o pasekėjai po to, kai gali lyginti šį atsakymą. Chirpirovanny impulsas, priešingai, sukuria atsakymą, labiausiai gryną iš fizinio požiūrio. Su juo mes tiriame įvairias plazmonines struktūras ant medžiagos paviršiaus. Šios struktūros gali veikti kaip antenos, t. Y. Konvertuoti spinduliuotę į šias struktūras.

Taigi, mes galime apytiksliai pakeisti bangos ilgio eilės makrokozmą į daug mažesnes skales. Pavyzdžiui, pagerinkite fotoluminescencinius signalus arba Ramano sklaidos signalus, pagaminkite metamedžiagas ir superhidrofobinius paviršius, atlikite padidėjusio jautrumo cheminę analizę ir spalvą metalui, ty suteikite jai spalvą nenaudojant dažų, bet naudojant plazmono efektą. "

Be to, femtosekundiniai lazeriai leidžia medžiagą kaitinti iki labai aukštos temperatūros virš saulės paviršiaus. Sergejus Makarovas sako: „Neseniai, maždaug prieš 7–8 metus, vyko termobranduolinės sintezės bumas, kuris buvo uždegtas naudojant femtosekundinius lazerius. Tiesa ta, kad galia yra energijos kiekis laiko vienetui. Atitinkamai, jei spaudžiame lazerio spindulių energiją į vieną femtosekundę, per labai trumpą laiką, mes gauname labai didelę galią, palyginamą su visų pasaulio elektrinių galia. Jei mes ir toliau sutelkiame dėmesį į šį impulsą - lęšį ar objektyvą, tada medžiaga leis šildyti iki 10 tūkst. Laipsnių. Na, kolosalinė temperatūra. Ir tada atsidaro nauja fizika - tiek pagrindinė, tiek linijinė. Pavyzdžiui, jei tokius impulsus sutelkiate vakuume, galite pamatyti vadinamąjį vakuuminį virimą, tai yra, elektronų-pozronų porų arba kitų elementarių dalelių gamybą. "

„Be to, didelė ultragarso impulsų galia leidžia sukurti Terahertz varomuosius linijinius elektronų pagreitinimo kietųjų dalelių pagreičius - pavyzdžiui, įrenginys, užimantis 30 kvadratinių metrų, gali gaminti daleles, kurių energija yra viena dešimtoji Didžiojo Hadrono kolektoriaus energijos“, - sako Landau Teorinės fizikos institutas Nailau Inogamovas.

Galiausiai, femtosekundiniai lazeriai yra plačiai paplitę medicinoje - ypač jie naudojami dantims gręžti arba lazerio akių korekcijai. Kuo trumpesnė lazerio impulso trukmė, tuo tiksliau galima apriboti sritį, kurioje jos energija išleidžiama - todėl naudojant femtosekundinius lazerius galima atlikti tikslius pjūvius, kurie šiek tiek pakenkia aplinkiniams audiniams.

<

Populiarios Temos