کنترل از راه دور هر چیز کوچک!

اتم‌ها، مولکول‌ها و حتی سلول‌های زنده را می‌توان با پرتوهای نور دستکاری کرد. کشف روش‌های نوین، انقلابی در “انبرک‌های نوری” ایجاد کرده‌است.

انبرک‌های نوری

درک کامل از دنیای ریز ذرات، نیازمند کشف ابزاری دقیق جهت برهم‌کنش و ارتباط غیر مخرب با آن‌ها بود. در سال 1970 آرتور اشکین[1] این انقلاب علمی را با ساخت انبرک نوری در حوزه زیشت شناسی به نام خود ثبت کرد. او مشاهده کرد با تابش نور لیزر به شیئی با ضریب شکست بزرگتر از محیط اطرافش می‌توان آن را به سمت کمره باریکه لیزری سوق داد.

در این تکنیک نور با عبور از جسمی با ضریب شکست متفاوت از محیط پیرامونش شکسته می‌شود. این تغییر زاویه‌ی ورود و خروج نور از جسم به معنای تغییر تکانه‌ی خطی نور و به تبع آن وجود یک نیروی خالص است. طبق قانون سوم نیوتن این نیرو به جسم مقابل هم وارد می‌شود، حال اگر چیدمان آزمایش را به‌گونه‌ای تنظیم کنیم که برآیند این نیروها درجهت یک نقطه خاص باشد، ذره در اثرعبور باریکه در آن نقطه خاص به دام می‌افتد و می‌توان آن را به راحتی جابجا کرد.

اگرچه می‌توان با افزایش تعداد فوتون‌های برخورد کرده با ذره، نیروی وارد شده را بیشتر کرد اما حتی با وجود نور شدید لیزر مادون قرمز نزدیک، فشار بر روی یک جسم تنها چند ترلیونیوم از نیوتن است. با این حال، این نیروی پیکونیوتن برای نگه داشتن و دستکاری ذره میکروسکوپی کافی است.

این توانایی برای انتقال چیزهایی در مقیاس زیر نانومتر، امکان مطالعات در علوم زیستی را که قبلاً غیرممکن تصور می‌شد، فراهم کرده است. تحقیقات در مورد خواص DNA به دلیل توانایی گیر انداختن لیزری انبرک‌های نوری به ‌طور قابل توجهی پیشرفت کرده است.

اگرچه انبرک‌های نوری به کمک پرتوهای لیزر می توانند مولکول‌ها، سلول‌ها و حتی ویروس‌ها را دستکاری، دستگیر یا جابجا کنند. با این‌حال، این تکنیک فقط روی اشیا در فضای خالی یا مایعات شفاف کار می‌کند. هر محیط مزاحم باعث منحرف شدن امواج نور و از بین رفتن اثر می‌شود. این موضوع به‌ ویژه در مورد نمونه‌های بیولوژیکی که معمولاً در یک محیط بسیار پیچیده قرار دارند، محدودیت بزرگی ایجاد می‌کند.

به تازگی دانشمندان دانشگاه فناوری وین نشان داده‌اند که چگونه می‌توان این مشکل را مرتفع کرد: آن‌ها یک روش محاسبه ویژه برای تعیین شکل کامل موج کشف کردند که به کمک دستکاری ذرات کوچک در حضور یک محیط بی‌نظم به‌دست می‌آید. پرتو نور سفارشی برای هر چیز کوچکی به یک کنترل از راه دور جهانی تبدیل شده است که این امکان را فراهم می‌کند تا ذرات منفرد را بدون لمس مستقیم در داخل یک نمونه نگه داشت، حرکت داد و یا چرخاند. اکنون فناوری جدید انبرک نوری در مجله Nature Photonics ارائه شده است.

انبرک نوری در محیط‌های بی‌نظم

پروفسور استفان روتر[2] از انستیتوی فیزیک نظری در دانشگاه فناوری وین توضیح می‌دهد: “استفاده از پرتوهای لیزر برای دستکاری ماده دیگر امری غیرعادی نیست. در سال 1997، جایزه نوبل فیزیک به محققانی تعلق گرفت که با سرد کردن اتم‌ها به کمک پرتوهای لیزر توانستند آن‌ها را در چگالی بسیار بالا به‌دام بیاندازند و ساعت‌های اتمی بسیار دقیق و اندازه‌گیری‌های بسیار حساس را به کمک این اتم‌های سرد شده به‌دام افتاده به‌دست آورند. این جایزه در سال 2018، به توسعه انبرک‌های نوری تعلق گرفت.”

اگرچه امواج نوری حساس هستند، در یک محیط آمورف و بی‌نظم، می‌توان آن‌ها را به طریقی کاملاً پیچیده منحرف و در همه جهات پراکنده کرد. یک موج نوری ساده و تخت به یک الگوی موج پیچیده و بی‌نظم تبدیل می‌شود. این روش، تعامل نور با یک ذره خاص را کاملاً تغییر می‌دهد.

مایکل هورودینسکی[3]، اولین نویسنده مقاله می‌گوید: ” این اثر پراکندگی قابل جبران است. ما می‌توانیم نحوه شکل‌گیری موج را در ابتدا محاسبه کنیم تا بی‌نظمی‌های محیط، آن را دقیقاً به شکلی که می‌خواهیم تبدیل کند. در این حالت، در ابتدا موج نور بی‌نظم و آشفته به ‌نظر می‌رسد، اما محیط بی‌نظم آن را به چیزی مرتب تبدیل می‌کند. لذا از اغتشاشات کوچک بی‌شماری که به‌طور معمول آزمایش را غیر ممکن می‌کنند، برای تولید شکل دقیق موج مورد نظر، که سپس بر روی یک ذره خاص اعمال می‌شود، استفاده می‌کنند.

محاسبه موج بهینه

برای دستیابی به این هدف، ذره و محیط بی‌نظم آن ابتدا با امواج مختلف روشن شده و نحوه بازتاب امواج اندازه‌گیری می‌شود. این اندازه‌گیری دو مرتبه پشت سر هم انجام می‌شود. استفان روتر می‌گوید: “بیایید فرض کنیم که در مدت زمان کوتاه بین دو اندازه‌گیری، محیط بی‌نظم ثابت باقی بماند، در حالی که ذره‌ای که می‌خواهیم دستکاری کنیم کمی تغییر کند. فرض کنیم سلولی حرکت می‌کند، یا فقط کمی به سمت پایین غرق می‌شود. بنابراین موج نوری که ارسال می‌کنیم، در دو اندازه‌گیری کمی متفاوت منعکس می‌شود. این تفاوت جزئی بسیار مهم است: به کمک تکنیک جدید محاسبه در دانشگاه وین می‌توان موجی را که برای تقویت یا تضعیف این حرکت ذرات باید استفاده شود، محاسبه کرد.”

او ادامه می‌دهد: “اگر ذره به آرامی به سمت پایین فرو رود، می‌توانیم موجی را محاسبه كنیم كه مانع از این غرق شدن شود یا اجازه دهد ذره حتی سریع‌تر غرق شود. اگر ذره کمی بچرخد، می‌دانیم که کدام موج حداکثر حرکت زاویه ای را منتقل می‌کند، سپس می‌توانیم ذره را با یک موج نوری به شکل خاص بچرخانیم بدون اینکه هرگز آن را لمس کنیم.”

محاسبه گلوگاه‌ها

هورودینسکی می‌گوید: این تکنیک دو اشکال عمده دارد: اول نیاز به گرفتن حداکثر نور خروجی از آزمایش و سپس نیازمند اندازه‌گیری ماتریس پراکندگی سیستم در بازه‌های زمانی بسیار کوتاه، قابل مقایسه با آنچه در آن سیستم تغییر می‌کند، هستیم. برای محیط‌های غیر ساکن مانند بافت زنده، اندازه‌گیری ماتریس پراکندگی و محاسبات باید به طور مداوم انجام شود تا میدان بهینه در هر مرحله از زمان را داشته باشیم.

او اضافه می‌کند: به‌طور معمول مشکل زمان انجام محاسبات حالت ورودی مطلوب بر اساس یک ماتریس پراکندگی مشخص نیست. بلکه زمان کسب ماتریس پراکندگی است که هنوز خیلی طولانی می‌باشد. با این وجود ابزارها و سخت‌افزارهای متناظر با سرعت بالایی در حال پیشرفت هستند. “

آزمایش‌های موفقیت آمیز با مایکروویو

کوین پیچلر[4]، یکی از اعضای این تیم تحقیقاتی توانست روش محاسبه را در آزمایشگاه شرکای پروژه در دانشگاه نیس (فرانسه) عملی کند: او از اشیای تفلون که به صورت تصادفی مرتب شده بودند، استفاده کرد و آن‌ها را با مایکروویو تابش داد. به این ترتیب او موفق به تولید شکلی از موج‌ها شد که به دلیل بی‌نظمی سیستم، اثر مطلوبی  ایجاد کردند.

استفان روتر می‌گوید: “آزمایش مایکروویو نشان داد که روش ما عملیاتی است. علت استفاده از امواج مایکروویو آن است که به ما امکان دسترسی آسان به تابش در میدان دور، اندازه‌گیری ماتریس پراکندگی و میدان نزدیک در اطراف هدف را می‌دهد تا ببینیم هدف چگونه تأثیر می‌پذیرد. اما هدف واقعی استفاده از آن نه با مایکروویو بلکه با نور مرئی است. این می‌تواند زمینه‌های کاملاً جدیدی از کاربردهای انبرک نوری را باز کند و به ‌ویژه در تحقیقات بیولوژیکی، کنترل ذرات کوچک را به روشی که قبلاً کاملاً غیرممکن تلقی می‌شد امکان پذیر کند”.

چیدمان میز مایکروویو برای تولید موج مطلوب

 

https://www.osa-opn.org/home/newsroom/2019/december/optimal_optical_tweezers/

https://phys.org/news/2019-11-remote-small.html

https://www.elliotscientific.com/What-are-Optical-Tweezers?gclid=CjwKCAiA_Kz-BRAJEiwAhJNY73ITqxYpPZIqxvKVvhIFN8SCDyEWW5u6e9tKqwiDm9xp6pbBJ1SBOBoCe_MQAvD_BwE

 

[1] Arthur Ashkin

[2] Stefan Rotter

[3] Michael Horodynski

[4] Kevin Pichler