0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Пинцет для атомов и укрощение лазеров – что это и зачем нужно

Содержание

Пинцет для молекул: за что присудили Нобелевскую премию по физике в 2018 году

Нобелевскую премию в этом году получили физики, совершившие открытия в области лазеров. Разбираемся, что стоит об этом знать.

Во вторник, 2 октября, Шведская академия наук присудила Нобелевскую премию по физике «за новаторские изобретения в области лазеров». Половину премии получит 96-летний американский физик Артур Эшкин (Arthur Ashkin), придумавший технологию оптического пинцета, другую половину поделят между собой Жерар Муру (Gerard Mourou) и Донна Стрикленд (Donna Strickland), разработавшие метод генерации фемтосекундных петаваттных лазерных импульсов.

Как лазер стал пинцетом

Чтобы управлять мелкими предметами — например, выщипывать брови или отделять зерна сорняков от гречневой крупы, — удобно использовать пинцет, способный механически захватывать и удерживать представляющие интерес объекты. К сожалению, перемещать обычным пинцетом объекты микронных размеров — живые клетки, белки и молекулы — нельзя: любая попытка захватить такой объект приведёт к его разрушению, и дальнейшие манипуляции потеряют смысл. С целью преодолеть это препятствие американский физик Артур Эшкин разработал оптический пинцет — устройство, которое с помощью лазерного пучка перемещает микроскопические объекты, сохраняя их внутреннюю структуру.

Вообще говоря, работа оптического пинцета зависит от размера перемещаемого объекта. Для начала рассмотрим ситуацию, когда размеры объекта превышают длину волны лазерного излучения — d > λ. Это условие позволяет использовать приближение геометрической оптики, чтобы рассчитать траектории лучей, отраженных и преломлённых частицей. Для простоты можно приблизить частицу идеальной сферой (рассеяние Ми).

Кроме того, заметим, что электромагнитная волна, рассеянная на частице, передает ей некоторый импульс — а следовательно, создает эффективную силу, которая толкает частицу вдоль градиента квадрата электрического поля, то есть в сторону увеличения интенсивности света (поэтому силу называют градиентной). В результате частица будет «прижиматься» к оси луча, около которой интенсивность лазера максимальна. Если же направить на частицу два лазера, распространяющихся в противоположных направлениях, или сфокусировать лазер с помощью системы линз, то можно «зажать» её в трёх измерениях и заставить перемещаться вслед за точкой фокусировки.

Если же диаметр микрочастицы оказывается меньше длины волны лазера (d λ. Более подробно про принципы, на которых основан оптический пинцет, можно прочитать в статье ОПТИЧЕСКИЙ ПИНЦЕТ доктора технических наук А. Голубева.

Схема работы оптического пинцета / Wikimedia Commons

Впервые градиентные силы были экспериментально открыты Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure Артуром Эшкином в 1970 году. После этого физику понадобилось ещё 16 лет, чтобы отточить технологию и создать Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles первый полноценный оптический пинцет, способный захватывать и перемещать микроскопические частицы. В основном учёному мешали тепловые колебания атомов, которые он пытался захватить, и низкая мощность лазеров, доступных на тот момент. Ещё через год Эшкин, захватив с помощью оптического пинцета вирус табачной мозаики и бактерию Escherichia coli, показал Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria , что его технологию можно использовать для изучения биологических объектов. Более того, уменьшая длину волны лазерного пучка, учёный добился того, чтобы бактерии сохраняли жизнеспособность и продолжали размножаться, будучи пойманными в оптическую ловушку.

Разработка Эшкина сыграла важную роль в исследовании многих биологических процессов, в частности молекулярных машин, за исследование которых Жан-Пьер Соваж, Фрейзер Стоддарт и Бернард Феринга в 2016 году получили Нобелевскую премию по химии. В том числе с помощью оптических пинцетов учёные увидели, как молекула кинезина «шагает» по поверхности образца, и измерили High-Resolution Optical Tweezers for Single-Molecule Manipulation силу, с которой она способна тянуть объекты. Для этого исследователи прикрепляли конец молекулы к микроскопической сфере, подвешенной в оптической ловушке, и измеряли, как далеко молекула может «оттянуть» сферу от равновесного положения. Кроме того, с помощью оптических пинцетов биофизики научились собирать Sculpting and fusing biomimetic vesicle networks using optical tweezers искусственные клетки в упорядоченные структуры и измерили Single-molecule studies of high-mobility group B architectural DNA bending proteins вязкоупругие свойства биополимеров.

Измерение силы тяги «молекулярной машины» с помощью оптического пинцета / Nobel Prize

Сотрудник лаборатории 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ Дмитрий Чубич так прокомментировал разработку Артура Эшкина: «Оптические пинцеты активно используется в биологии — для этого нужно подобрать длину волны лазера так, чтобы частица его не поглощала, то есть не нагревалась. В этом случае вы можете перемещать, например, живую клетку или органеллы в клетке в произвольном направлении, причём клетка не разрушается, остаётся целой и жизнеспособной. Более того, её можно разместить там, где вам нужно, с точностью до нескольких сотен нанометров — в зависимости от длины волны лазера».

Заведующий отделом лазерной плазмы Объединённого института высоких температур (ОИВТ) РАН Михаил Агранат рассказал об одном из таких проектов. По его словам, его сотрудники совместно с коллегами из МГУ разработали комбинированную установку, объединяющую в себе лазерный скальпель и пинцет. С помощью этой установки учёные смогли разрезать оболочку зародыша на ранних стадиях деления и извлечь с помощью пинцета полярное тельце, изучение которого позволяет судить о состоянии эмбриона, в частности, о генетических отклонениях. Кроме того, световые инструменты позволяют экспериментировать с клеточными сфероидами.

Читать еще:  Что в Церкви ответят, если подросток спросит «вы все это всерьез?»

Разумеется, оптические пинцеты применяются не только в биофизике, но и в других областях науки. Например, с их помощью можно управлять отдельными атомами — в марте этого года австралийские физики измерили A single-atom 3D sub-attonewton force sensor с точностью до сотых долей аттоньютона силу, действующую на отдельный атом, а в апреле американские исследователи впервые провели Building one molecule from a reservoir of two atoms химическую реакцию между отдельными атомами щелочных металлов. Более того, разработка Эшкина имеет и прикладные применения — например, в январе этого года американские инженеры получили A photophoretic-trap volumetric display с помощью оптического пинцета цветное трёхмерное изображение, напоминающее голограммы из научно-фантастических фильмов.

Интересно, что Стивен Чу (Steven Chu) — один из соавторов работы 1986 года, в которой впервые были описаны оптические пинцеты — получил Steven Chu. Facts Нобелевскую премию по физике ещё в 1997 году. В отличие от Эшкина, сосредоточившегося на применении оптических пинцетов в биофизике, Чу адаптировал эту технологию для охлаждения нейтральных атомов до сверхнизких температур, что в конечном счёте позволило физикам получить на практике конденсаты Бозе — Эйнштейна. В ряде интервью Чу отмечал Nobel Research in Physics вклад Эшкина в разработку технологии; теперь этот вклад признан официально. Кроме того, стоит отметить, что 2 сентября Артуру Эшкину исполнилось 96 лет — это делает его самым старым лауреатом Нобелевской премии в истории.

Сжатый и усиленный свет

Разработка других лауреатов — Жерара Муру и Донны Стрикленд также связана с лазерными пучками и также позволяет исследовать процессы на уровне элементарных частиц.

Первые лазеры — оптические квантовые генераторы, которые позволяют получать когерентные, монохроматические, поляризованные и узконаправленные импульсы электромагнитного излучения — были построены в начале 1960-х годов. С помощью таких импульсов очень удобно исследовать внутреннюю структуру веществ и наблюдать за происходящими в них процессами — например, «увидеть», как разбегаются электроны по диэлектрику. Для этого нужно посветить лазером на вещество и измерить его реакцию. Чем больше мощность лазерной вспышки, тем сильнее вещество «откликается» на её воздействие. С другой стороны, чем дольше вспышка длится во времени, тем сложнее отделить «отклик» образца на первоначальное воздействие. Поэтому на протяжении всей истории изучения лазеров физики старались увеличить мощность лазерного импульса и уменьшить его продолжительность. Для этого физики использовали всё более и более мощные усилители, которые заставляли лазер генерировать больше фотонов.

В середине 1980-х годов исследователи научились получать настолько мощные и короткие лазерные импульсы, что вещество усилителя не выдерживало и установка разрушалась. Казалось, физика зашла в тупик. К счастью, Жерар Муру и Донна Стрикленд практически сразу решили эту проблему, разработав в 1985 году технику чирпированного усиления импульсов (Chirped pulse amplification, CPA). По сути своей эта техника довольно проста.

На первом шаге учёные увеличивают ширину спектра лазерного импульса — «растягивают его во времени» — с помощью дисперсионной оптической системы (пары призм). Затем импульс усиливается стандартными методами; благодаря «растянутости» импульса его пиковая энергия уменьшается, а потому установка не разрушается. Наконец, на последнем шаге импульс снова «сжимают» с помощью дифракционных решеток. В итоге мощность чирпированного импульса может достигать 1 015 ватт при продолжительности порядка одной фемтосекунды (10–15 секунд). В настоящее время чирпированное усиление — это основной способ получения сверхмощных лазерных импульсов.

Техника усиления чирпированных импульсов / Nobel Prize

Фемтосекундные лазеры, которые придумали Муру и Стрикленд, сейчас вовсю используются в индустрии; в принципе, их можно свободно купить за разумные деньги. Это не какая-то диковинная вещь, как, например, графен, который до сих пор нельзя приобрести в магазине. Такие лазеры есть практически в любом университете — везде, где люди занимаются оптикой.

Причина такой популярности проста: с помощью фемтосекундных лазеров можно поставить много важных опытов и исследовать физические процессы с очень высоким разрешением по времени. Например, сфотографировать Angular momentum–induced delays in solid-state photoemission enhanced by intra-atomic interactions процесс фотоэлектронной эмиссии и проследить Attosecond correlation dynamics за отрывом электрона от атома водорода, увеличить Acceleration of a ground-state reaction by selective femtosecond-infrared-laser-pulse excitation скорость химической реакции и «надуть» Optical Forging of Graphene into Three-Dimensional Shapes графеновый лист. В настоящее время «скорострельность» камер, использующих чирпированные импульсы, превышает Sequentially timed all-optical mapping photography (STAMP) триллион кадров в секунду.

Зависимость максимальной мощности лазерных импульсов от времени: крайняя левая точка отвечает первому в истории лазеру, точка CPA — первому лазеру, основанному на усилении чирпированных импульсов / Nobel Prize

Сотрудник Института автоматики и процессов управления ДВО РАН Олег Витрик так отзывается о чирпированных импульсах: «Мы применяем их, как правило, для исследования структуры вещества. Если импульс длится долго, то первый фронт импульса запускает какой-то отклик в веществе, а следующие за ним могут этот отклик нивелировать. Чирпированный импульс, напротив, создаёт отклик, наиболее чистый с физической точки зрения. С его помощью мы исследуем различные плазмонные структуры на поверхности вещества. Эти структуры могут работать как антенны, то есть преобразовывать излучение на этих структурах.

Таким образом, мы можем трансформировать, грубо говоря, макромир, порядка длины волны, на гораздо более мелкие масштабы. Например, усилить сигналы фотолюминесценции или сигналы комбинационного рассеивания света, изготовить метаматериалы и супергидрофобные поверхности, провести сверхчувствительный химический анализ и колорировать металл, то есть придать ему цвет не с помощью краски, а с помощью плазмонных эффектов».

Кроме того, фемтосекундные лазеры позволяют нагревать Ultrafast nonthermal heating of water initiated by an X-ray Free-Electron Laser вещество до очень высокой температуры, превышающей температуру на поверхности Солнца. Сергей Макаров рассказывает: «Недавно, лет 7–8 назад, был бум вокруг термоядерного синтеза, который поджигали при помощи фемтосекундных лазеров. Дело в том, что мощность — это количество энергии в единицу времени. Соответственно, если мы сжимаем энергию лазерного пучка в одну фемтосекунду, — в очень короткий промежуток времени, — то мы получаем очень высокую мощность, сравнимую с мощностью всех электростанций мира. Если мы дальше хорошо сфокусируем этот импульс — линзой или объективом, то он позволит нагреть материал до 10 тысяч градусов. Ну, до колоссальных температур. И тогда уже открывается новая физика — и фундаментальная, и линейная. Например, если сфокусировать такие импульсы в вакууме, можно увидеть так называемое кипячение вакуума, то есть рождение электрон-позитронных пар или других элементарных частиц».

«Также высокая мощность ультракоротких импульсов позволяет создавать Terahertz-driven linear electron acceleration компактные ускорители частиц — например, установка, занимающая 30 квадратных метров, может выдавать частицы с энергией в одну десятую энергии Большого адронного коллайдера», — говорит сотрудник Института теоретической физики имени Ландау Наиль Иногамов.

Читать еще:  «Солидный господь для солидных господ», или 6 массовых псевдосвятынь

Наконец, фемтосекундные лазеры широко распространены в медицине — в частности, они используются для сверления зубов или лазерной корректировки зрения. Чем меньше продолжительность лазерного импульса, тем точнее можно ограничить область, в которой высвобождается его энергия — следовательно, с помощью фемтосекундных лазеров можно делать точные разрезы, которые слабо повреждают окружающие ткани.

Нобелевку-2018 по физике дали за оптический пинцет: ее мог бы получить российский физик

Продолжается нобелевская неделя. Вслед за объявлением лауреатов в области медицины и физиологии стали известны ученые, которые получат Нобелевскую премию по физике. Это Артур Ашкин (Arthur Ashkin), Жерар Муру (Gеrard Mourou) и Донна Стрикленд (Donna Strickland). Высочайшей научной награды они удостоены «За новаторские изобретения в области лазерной физики».

Артур Ашкин — американский физик, сотрудник Bell Laboratories — крупной исследовательской корпорации, которая специализируется в области телекоммуникаций, компьютерных и электронных систем.

Ашкин давно уже известен как создатель так называемого оптического или лазерного пинцета. В его основе — лазерные лучи, которыми, как выяснилось, можно захватывать, удерживать и перемещать небольшие объекты. Собственно за этот «пинцет» Ашкин и получил Нобелевскую премию. В первую очередь, его изобретением стали пользоваться биологи и медики, которые начали ухватывать отдельные бактерии и даже вирусы — перемещать их, не нанося никакого вреда, под микроскоп и изучать. Изучать, что называется, живьем.

Работа чудо-пинцета и сам он основан на явлении, которое известно даже школьникам — на световом давлении. Вспомните картинку из учебника: легкий пропеллер из фольги, накрытый стеклянным колпаком. Конструкцию подставляют под солнечный свет, и пропеллер начинает вращаться. Световое давление. Первым этот эффект продемонстрировал русский физик Петр Лебедев . Он же его и измерил. Дожил бы, может быть, получил бы Нобелевскую премию вместе с Ашкиным . Ведь тот, по сути, воспользовался идеями Лебедева. Но, конечно, развил их и довел да практического применения.

Ныне с помощью оптического пинцета Ашкина можно перемещать, а можно и удерживать в трех измерениях частицы размером от 10 нанометров до 10 микрометров.

Кстати, устройство, аналогичное оптическому пинцету, еще в 1968 году предлагал создать советский физик Владлен Летохов. Только он хотел ловить не бактерии, а атомы — удерживать их и тем самым охлаждать до очень низких температур. Идею опять же реализовали в США под руководством все того же Ашкина — через 10 лет.

В 2001 году за цикл работ «Лазерное охлаждение и пленение атомов» Летохов получил премию имени Рождественского. А его американский коллега Стивен Чу (Steven Chu) — в прошлом сотрудник Ашкина — примерно за то же самое был удостоен Нобелевской премии по физике за 1997 год.

Французские ученые Муру и Стрикленд тоже отличились в области лазеров. Они придумали, как генерировать небывало короткие и мощные импульсы, с помощью которых можно пробивать отверстия в различных материалах. В том числе и в живых. Тысячи операций на глазах проводят, используя «импульсы Муре и Стрикленд»

Донна Стрикленд стала третьей женщиной, удостоенной Нобелевской премии.

— Это надо отпраздновать, — сказала иследовательница, когда ей сообщили о победе.

КОММЕНТАРИЙ СПЕЦИАЛИСТА

Андрей Федянин, профессор физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова:

— Используя технику оптического (или лазерного) пинцета, можно манипулировать с субмикронной точностью нано- и микро- объектами, включая биологические, например, клетки. Лазерный пинцет также может быть использован в различных ситуациях, например, для исследования потоков в микро- и нанофлюидике, а также с его помощью можно создавать из микро- и нано-частиц объемные структуры. Оптический пинцет может применяться как сверхчувствительный динамометр, позволяющий измерять сверхмалые усилия, размером порядка фемтоньютонов, что позволило его использовать для таких задач, как например, исследование механических свойств спирали ДНК .

КСТАТИ

В прошлом году Нобелевскую премию по физике получили американцы Барри Бэриш, Райннер Вайсс и Кип Торн «за решающий вклад в детектор LIGO и наблюдение гравитационных волн». «Комсомольская правда» подробно писала об этом эпохальном открытии: Сбылось предсказание Альберта Эйнштейна, сделанное 100 лет назад

Читайте также

Пожары в Сибири отравят Европу: западные ученые напуганы потеплением в России

Из-за аномальной зимы, по прогнозам, тайга будет гореть еще сильнее, чем в прошлом году

Почему наши дети часами смотрят, как кто-то другой играет в компьютерные игры

Ученые считают, что во всем виноваты «зеркальные нейроны»

Стало известно, с какой стороны и под каким углом прилетел астероид, погубивший динозавров

Хуже и быть не могло, уверяют ученые

В Крыму на высоте 1100 метров найдена неизвестная пещера глубиной с 35-этажный дом

Спелеологи пробили трехметровый слой горной породы, чтобы открыть вход в подземелья [фото]

Ученые доказали, что матерные ругательства облегчают боль

Крепкое слово из нескольких букв повышает болевой порог на 32 процента

Ради спасения от коронавируса ученые подсадят мышкам человеческий ген

Это нужно, чтобы впоследствии заразить подопытных COVID-19 и выяснить, как действует коварный вирус

Ученые удостоверились: рай земной находился на юге Африки

Эдемским садом для людей и животных стала местность Пиннакл пойнт на побережье нынешней ЮАР [видео]

Илон Маск запустит свой космический корабль с двумя астронавтами на борту

В среду 27 мая состоится первый самостоятельный полет американцев с 2011 года

Дмитрий Рогозин анонсировал создание новой орбитальной космической станции

Станция расширит возможности космических миссий — рассказал глава Роскосмоса в эфире Радио «Комсомольская правда»

Ученые доказали на хомяках эффективность ношения масок во время эпидемии

Исследователи из Гонконга изучили способы ограничения распространения коронавируса

Ученые рассказали, зачем на самом деле нужно носить маски

Исследователи даже рассчитали эффективность масок в контроле над пандемией коронавируса

Ученые научили искусственный интеллект определять характер человека по селфи

Эксперименты подтвердили, что лицо действительно является зеркалом души

С Титаника достанут беспроводной телеграф Marconi

Компания R.M.S. Titanic намерена извлечь аппарат с затонувшего лайнера

Почему во время пандемии лучше держаться подальше от затылков людей в масках

Даже в защитных средствах, чихающие и кашляющие «плюются» капельками. Ученые наглядно продемонстрировали, куда влага летит на самом деле [видео]

Пандемия коронавируса привела к окончательной победе людей цифровой культуры над аналоговой эпохой

Разбираем с профессором-культурологом, каких сдвигов в сознании и поведении следует ожидать после нашествия вируса

Резко снизился уровень углекислого газа в атмосфере Земли

Ученые не сомневаются: окружающая среда очищается в результате принятых антикоронавирусных ограничительных мер

Кашлять во время коронавируса лучше против ветра

Социальная дистанция в два метра на открытом воздухе становится опасной

Компания Группы «Роснано» передала Ульяновской области десять тысяч тестов для диагностики коронавируса

Зарубежные партнеры «ТестГен» изъявили желание закупать новый продукт

17-летний школьник-идеалист создал сверхпопулярный сайт о коронавирусе. Ему предложили рекламный контракт на $8 млн — он отказался

Ежедневно портал ученика посещают около 30 миллионов пользователей. Подросток отказался от денег, потому что не любит всплывающие рекламные окна

Уральские путешественники нашли в горах копию пирамиды Хеопса, которая в два раза больше оригинала

Она находится на территории ХМАО, куда до сих пор не ступала нога человека

Читать еще:  Ник Вуйчич: «От самоубийства меня остановила любовь к моим родителям»

Ученые проверили: борода смягчает удары в челюсть

Роль растительности на лице теперь установлена экспериментально

Возрастная категория сайта 18+

Мощный полупроводниковый лазер превратили в оптический пинцет

National Cancer Institute/Wikimedia Commons

Российские ученые смогли добиться сверхфокусировки излучения полупроводникового лазера за счет самоинтерференции его луча. Они смогли использовать такой луч как оптический пинцет, чтобы перемещать микроскопические объекты. Статья с результатами исследования опубликована в Scientific Reports.

По сравнению с другими типами полупроводниковые лазеры эффективнее, компактнее и дешевле. Однако у них есть и недостатки: луч мощного полупроводникового лазера, например, плохо фокусируется. В результате площадь фокусного «пятна» получается на один-два порядка больше теоретического предела. Из-за этого страдает плотность мощности, что мешает использовать полупроводниковые лазеры для обработки материалов.

В новой работе ученые предложили способ устранить этот недостаток. Для этого нужно создать так называемый пучок Бесселя, в котором мощность излучения остается постоянной по ходу его распространения. Чтобы создать пучок Бесселя, лазерный луч нужно направить в специальную коническую линзу. Такая линза фокусирует лазерное излучение за счет того, что «заставляет» его составляющие («моды») интерферировать сами с собой. Из-за этого поперечный размер лазерного пятна в фокусе приближается к теоретическому пределу, а протяженность фокуса увеличивается.

Чтобы подтвердить, что эту идею можно реализовать, ученые провели эксперимент. Они направляли луч лазера в волновод — оптическое волокно, на выходе из которого располагалась коническая линза. Физики тестировали два ее варианта: с углами при вершине конуса в 140° и 160° и радиусом скругления вершины менее 10 микрометров. Первая линза смогла сфокусировать луч лазера до размеров в 2-4 микрометра в поперечнике при длине распространения волны около 20 микрометров. Этот результат почти на порядок меньше того, чего можно добиться с помощью «идеальной» сферической линзы.

Коническая линза (угол при вершине — 140°) на срезе оптического волокна диаметром 100 мкм, полученная путем 3D-нанопечати, и продольное распределение сверхфокусированного лазерного луча. Поперечный размер луча — 2–4 мкм, расстояние распространения луча — около 20 мкм.

Grigorii S. Sokolovskii et al.

Вторую линзу ученые использовали в качестве своеобразного оптического пинцета для манипуляций с красными кровяными клетками крысы (средний размер таких клеток — 5-6 мкм). Они смогли захватывать эти клетки и переносить их на значительные расстояния.

«В более ранних работах мы показывали, что можно создать пучок Бесселя, даже используя полупроводниковый лазер с очень плохими спектральными характеристиками и даже светодиод, — поясняет первый автор работы, сотрудник ФТИ имени А.Ф. Иоффе Григорий Соколовский. — В этой работе нам удалось показать, что можно создать пучок Бесселя даже из лазерного луча с очень плохими пространственными характеристиками, а это открывает новые возможности для использования мощных полупроводниковых лазеров».

Что такое лазерный пинцет? Объясняем открытие лауреатов Нобелевской премии в 100 и 500 словах

Работы Артура Эшкина, Жерара Муру и Донны Стрикленд произвели революцию в лазерной физике, говорится в решении Нобелевского комитета. Но в чем суть этих революционных открытий?

Нобелевскую премию по физике получили американец Артур Эшкин, француз Жерар Муру и канадка Донна Стрикленд — за свои открытия, которые, как было заявлено на церемонии, произвели революцию в лазерной физике.

Жерар Муру и Донна Стрикленд, ставшая третьей женщиной-лауреатом в истории этой высшей награды научного мира, открыли способ получения коротких лазерных импульсов высокой интенсивности, которые, в частности, сделали возможными лазерные операции по корректировке зрения.

Русская служба Би-би-си коротко (в 100 словах) и чуть подробнее (в 500 словах) объясняет, в чем суть этих революционных открытий.

История в 100 словах

«Мечта писателей-фантастов»

Описание метода лазерного пинцета и правда больше похоже на рассказ о технологиях будущего из научно-фантастического романа.

Он позволяет использовать лазерные лучи, то есть потоки поляризованного и узконаправленного света, в качестве микроскопических щипцов, которые могут захватывать физические объекты размером всего несколько микрон и манипулировать ими.

Неудивительно, что эта технология нашла самое широкое применение в изучении структуры и принципа работы белков, молекулы которых столь малы, что их нельзя разглядеть даже в лучший оптический микроскоп.

Оптическим пинцетом можно также захватывать живые клетки, вирусы и даже отдельные атомы.

Вторая технология, используемая в лазерной хирургии, была предложена Стрикленд и Муру еще в 1985 году и получила название «усиление чирпированных импульсов» (CPA). Она позволяет значительно увеличивать мощность лазерного луча.

История в 500 словах

Мечта и реальность

Артур Эшкин еще студентом мечтал о создании световой ловушки, которая удерживала бы физические объекты при помощи давления потока излучения.

После долгих экспериментов в 1987 году ему, наконец, удалось создать оптический пинцет, который позволяет захватывать и рассматривать микроскопические частицы, атомы, вирусы, бактерии и другие живые клетки, не повреждая их.

Лазерные усики пинцета могут поворачивать объекты, сжимать их или растягивать, а при необходимости — разрезать на части. Для биофизиков этот инструмент просто открыл новые горизонты, поскольку он дал возможность изучать белки, молекулярные двигатели, ДНК и внутреннюю жизнь клетки в целом.

За свои работы Эшкин был удостоен целого ряда престижных научных премий, в том числе и высшей американской награды — премии Национальной академии наук. Однако до 96 лет он так и не стал нобелевским лауреатом, хотя еще в 1997 году премия была присуждена за разработку методов охлаждения и удерживания атомов при помощи света лазера.

В числе трех лауреатов премии тогда оказался его коллега Стивен Чу, а сам Эшкин позже признавался, что чувствовал себя незаслуженно обойденным вниманием Нобелевского комитета, поскольку, по его словам, ему пришлось учить Чу, как делать световые ловушки.

Теперь американский профессор наконец получил долгожданную награду — однако оказался настолько занят написанием очередной научной статьи, что даже не смог пообщаться с журналистами после объявления лауреатов.

«Заточка лазера»

Эшкину достанется половина премии. Вторую половину разделят между собой Донна Стрикленд и Жерар Муру, благодаря которым стали возможными лазерные операции по корректировке зрения.

Однако это лишь одно из применений изобретенной ими технологии CPA, которая позволяет с невероятной точностью делать разрезы или сверлить отверстия в самых разных материалах, включая и живые ткани.

Для этого лазерный луч сначала растягивают, затем усиливают, после чего вновь сжимают. Получившийся в результате мощный ультракороткий световой импульс измеряется фемтосекундами — то есть квадриллионными долями секунды. Для сравнения, даже свет за это время проходит расстояние меньше микрометра, что сравнимо с диаметром вируса.

До этого открытия мощность лазеров была довольно ограничена: луч высокой интенсивности просто разрушал материал, используемый для усиления его энергии.

Теперь именно так получают импульсы наибольшей мощности в физических лабораториях по всему миру. Спектр их применения очень широк: например, такие лучи используют для лазерной терапии рака.

В 1903 году половину премии разделила с мужем Мария Кюри; в 1963 году Мария Гёпперт-Майер получила четверть награды.

Первую научную статью, которая легла в основу открытия, канадка Стрикленд написала еще в 1985 году, работая в докторантуре Рочестерского университета в США. Профессор Жерар Муру, разделивший с ней Нобелевскую премию, был ее научным руководителем.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector