Оптический пинцет в работе или как схватить молекулу за хвост?

Взаимодействие света и материи

Позже механическое воздействие света было многократно зафиксировано физиками, а отечественный ученый Лебедев Пётр Николаевич научился измерять это давление и провел ряд экспериментов.

Давление, оказываемое светом на физический объект, штука, в общем-то, вполне предсказуемая. Если представить себе свет как поток частичек или мячиков, которые летят в пространстве и потом бьются о материальное тело, как о стену, то никаких сомнений о механическом воздействии быть не может. Вот только развитие квантовой физики и активная критика корпускулярно-волнового дуализма заставили ученых усомниться в наличии того самого дуализма и исходить из того, что любая частица есть только возмущение волновой функции. Несмотря на то, что вокруг природы света до сих пор ходят споры, использовать его как способ "нажатия" вполне можно. И тут уже не столь важно, частицы там давят на объект или это волновая функция :)

Но нам сейчас в дебри погружаться не нужно. Важно лишь отметить для себя тот интересный факт, который признается физиками самых разных школ, что луч света оказывает механическое воздействие на тело, которое освещает.

Как взять со стола что-то маленькое?

Теперь отвлечемся на миг от этих постулатов и вспомним, как взять со стола винтик, размером чуть меньше 2 мм. Думаете, что таких не бывает? Тогда разбирайте любой микро механизм и наслаждайтесь. Взять подобный объект со стола пальцами, как минимум, будет очень сложно. Удобно было бы использовать пинцет.

Вот только если опуститься до микро-уровня, то манипулировать придётся молекулами или элементами ДНК. Известно, что если попытаться схватить за хвост молекулу, то она развалится. Уж больно тонкая и хрупкая конструкция.

Казалось бы, тут можно использовать управление частицей посредством послей, скажем, как это происходит в электронном микроскопе. Но далеко не каждый объект "выдерживает" такое воздействие. Могут начаться интересные приколы из серии поляризации или изменения структуры.

Поэтому, у ученых появилась идея использовать для таких работ оптический пинцет, который использовал бы описанные выше особенности взаимодействия материи и света. В 2018 году развитие этой идеи и демонстрация рабочей методики принесли своим отцам нобелевскую премию по физике.

Как работает оптический пинцет?

Поскольку мы пришли к выводу, что свет оказывает физическое давление, то таким давлением вполне можно "хватать" микро-частицу, с которой мы планируем работать. Причем, воздействие будет аккуратным и не приведет к разрушению или повреждению объекта.

В основе конструкции было предложено использовать лазер. Лазер, по сути дела - это концентрированный световой поток. С физической точки зрения это так.

И ещё нужно вспомнить, что у лазера есть интересная специфика - неравномерное распределение интенсивности потока по его толщине. Короче говоря - в середине мощнее, чем по краям.

Физика процесса, на удивление, простая.

Лазерный луч низкой мощности освещает нужную частицу. В итоге частица, подобно мячику, который засасывает в струю бегущей воды, оказывается внутри лазерного луча и постепенно мигрирует к его центральной части. Подобный эффект мы описывали в статье про типы потоков в физике. Получается полный контроль частицы.

Происходит это из-за того, что изначально, когда частица попадает под воздействие луча, она частично отражает этот луч, частично поглощает и частично преломляет, при этом сама получает от него некоторый импульс.

Импульс толкает частичку к центру потока. В итоге, в следствие волнового эффекта, лазерный луч фокусируется на частичке и захватывает её в ловушку. Сам же лазерный луч сжимается.

Так можно перемещать объект или выполнять различного рода манипуляции с ним. Она захвачена пинцетом. Такая конструкция и будет называться оптический пинцет. А ещё, можно управлять моментом вращения частицы и выполнять ряд очень интересных манипуляций.

Это открытие и подобная технология мало того, что представляют интерес на уровне специфики взаимодействия частиц в физике, так ещё и имеют реальное практическое применение, открывая невероятные ранее возможности ученым.

Все мои статьи сначала выходят на моем канале