Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис.1. Ураган из сказки «Волшебник Изумрудного города», который затянул домик на колесах девочки Элли и перенес в Волшебную страну, напоминает оптический пинцет, который втягивает микроскопические частицы и перемещает в заданном направлении. Впрочем, если ураган из сказки действовал неосознанно и даже погубил породившую его злую волшебницу Гингему, то оптический пинцет – это, напротив, очень послушный инструмент в руках опытного ученого, позволяющий проникать в тайны микромира.
Рис.2. Для «захвата» коллоидной частицы оптический пинцет использует сильно фокусированный лазерный пучок. Градиент интенсивности излучения затягивает частицу в область перетяжки пучка, тогда как давление света выталкивает ее по направлению оптической оси. Когда градиентная сила доминирует – частица «поймана» в области точки фокуса; в противном случае частица движется вдоль оптической оси.
Рис.3. Электронно-микроскопические изображения упорядоченных структур, собранных из коллоидных частиц оптическим пинцетом

Наноазбука: оптический пинцет

Ключевые слова:  инструменты нанотехнологий, наноазбука, оптический пинцет, периодика

Автор(ы): Синицкий Александр

Опубликовал(а):  Синицкий Александр

15 июня 2007

«У меня живёт козлёнок
(Я клонировал козу).
На палас его зелёный
На пинцете отнесу.
Если уроню в пути,
То без лупы не найти!»
Ю. Черезов




Если рассмотреть в оптический микроскоп капельку прозрачной жидкости, содержащей множество мельчайших частичек, подчас невидимых невооруженным глазом, то можно увидеть, как они беспорядочно движутся, сталкиваются, меняют направление, снова сталкиваются... Этот процесс, известный как «броуновское движение», продолжается бесконечно, и бесполезно пытаться предугадать, где та или иная частичка окажется в следующий момент. Можно ли в буквальном смысле «поймать» одну частицу и заставить двигаться туда, куда хочется?

На первый взгляд, задача кажется невыполнимой, особенно в том случае, если речь идет о частице, размер которой в десятки, сотни, а иногда и тысячи раз меньше толщины человеческого волоса. Если бы частичка была крупнее, хотя бы размером с маковое зернышко, ее можно было бы взять пинцетом. Однако речь идет о частичках настолько маленьких, что изготовить столь же маленький пинцет, и тем более, научиться «ловить» им «малышей», которым никогда не сидится на месте, практически невозможно. К счастью, далеко не каждый пинцет сделан из стали или пластика. Более того, не каждый пинцет можно взять в руки, если этот пинцет... всего навсего луч света! Речь идет о так называемом «оптическом пинцете», который представляет из себя устройство, использующее для передвижения микроскопических объектов сфокусированный лазерный пучок. Вблизи точки фокуса лазерный луч подобно торнадо втягивает внутрь все, что находится вокруг. Сила, с которой свет действует на окружающие объекты, невелика, но ее оказывается достаточно, чтобы «ловить» крохотные частицы, масса которых ничтожно мала. Как только частица «поймана», ее можно двигать вместе с лазерным пучком. С помощью оптического пинцета можно контролируемо передвигать частицы размером от 10 нанометров до 10 микрометров, изучать их поведение, а при желании – даже собирать из них различные структуры.

Метод манипулирования коллоидными частицами под воздействием света, известный как «оптический пинцет» (optical tweezers), был впервые предложен сотрудниками Bell Laboratories Артуром Эшкиным (Arthur Ashkin) и Стивеном Чу (Steven Chu) в 1986 г. Между тем, основополагающие эксперименты, продемонстрировавшие, что свет оказывает давление на макроскопические тела, частицы, а также отдельные молекулы и атомы, были проведены великим русским физиком П.Н. Лебедевым еще в период с 1899 по 1910 гг. Открытие давления света стало важным подтверждением электромагнитной теории Фарадея-Максвелла, а также позволило объяснить ряд экспериментально наблюдаемых физических явлений. Среди потенциальных применений давления света есть самые экзотические, вплоть до создания «космических парусов», призванных разгонять в безвоздушном пространстве космические корабли за счет использования излучения Солнца и других звезд.

Если передвижение многотонных космических кораблей под действием давления света пока остается утопией, то перемещать лазером микроскопические коллоидные частицы с использованием оптического пинцета ученые умеют уже сейчас. Схема «захвата» частицы показана на Рис.2. При взаимодействии с электромагнитным полем, создаваемым светом, у коллоидной частицы возникает дипольный момент, благодаря чему под действием градиента поля частица затягивается в перетяжку лазерного пучка. Для стабильного «захвата» необходимо, чтобы градиент электромагнитного поля доминировал над давлением света, что достигается путем правильно сконфигурированной оптической схемы.

Оптический пинцет позволяет прилагать к частицам силы до 100 пН, что делает его идеальным инструментом для механического воздействия на различные биологические объекты и измерения их отклика. Например, с помощью оптического пинцета были измерены вязкоупругие свойства единичных молекул ДНК, клеточных мембран, а также агрегированных волокон белков (например, актина). Кроме того, оптический пинцет использовался для изучения сил, развиваемых молекулярными моторами, такими как миозин, кинезин, а также различные ферменты и рибосомы. Эти измерения показали, что клетки используют механические силы не только для движения и сортировки хромосом во время воспроизведения, но также для считывания генетической информации, дыхания, и чтобы отправлять различные сигналы другим клеткам.

Считается, что уже в ближайшем будущем оптические пинцеты будут использованы не только для изучения клеток, но и для внутриклеточной хирургии, что позволит, в частности, модифицировать их хромосомный набор, а также проводить искусственное оплодотворение. Кроме того, с помощью оптического пинцета можно анализировать колонии микробов различных видов, «ловить» отдельные микробы и изучать их поведение.

Не менее эффективно оптический пинцет применяется для изучения объектов неживой природы, например – заряженных коллоидных частиц в растворах. Пожалуй, наиболее интересным применением оптического пинцета является возможность собирать с его помощью различные упорядоченные структуры из коллоидных частиц. В настоящее время такие структуры создаются вручную и поэтому состоят из ограниченного числа частиц, однако если автоматизировать процесс сборки, оптический пинцет может стать мощнейшим инструментом для микро- и наноэлектроники

Литература

J.E.Curtis, B.A.Koss, & D.G.Grier, Dynamic holographic optical tweezers. Opt. Commun. 207 (2002) 169–175


В статье использованы материалы: Нанометр


Средний балл: 8.2 (голосов 11)

 


Комментарии
Mirin Nikolay A, 15 июня 2007 21:28 
Автор мог бы уделить больше внимания двум различным режимам работы системы: частица больше длины волны светового пучка, частица меньше длины волны светового пучка.

Они имеют очень важные особенности, связанные с давлением света и градиентами электрического поля/интенсивности.
В статье же они смешаны в одну кучу.
Так индуцированный дипольный момент из случая малых частиц, а превалирование поперечного градиента поля над давлением света - это из случая больших частиц.

Mirin Nikolay A, 16 июня 2007 00:19 
В статье сказано, что можно держать частицы 10мкм. Также сказано, что у частицы возникает
дипольный момент в луче лазера.

Это противоречит законам физики.
Выраженный дипольный момент
возникает только у частиц,
в квазистатическом режиме, т.е. когда
длина волны много больше размера частицы.
Mirin Nikolay A, 16 июня 2007 19:11 
Не переходя на личности, публикация любого уровня, несущая научную информацию, обязана
быть недвусмысленной.

Я бы модифицировал предложение, описывающее механизм захвата. Вот так:

У частиц малого размера при взаимодействии с электрическим полем, возникает дипольный момент, благодаря чему под действием градиента поля частица затягивается в точку фокусировки лазерного пучка. В случае частиц большого размера
аналогичная сила возникает в результате
разницы величин оптического давления света,
проходящего через части частицы, подверженные излучению разной интесивности.

Для стабильного «захвата» необходимо, чтобы возникающая градиентная сила доминировала над броуновским движением коллоидных частиц[а не давлением света!],
а общая величина светового давления (в случае больших частиц) компенсировалась силой тяжести, действующей на частицу, что достигается путем правильно сконфигурированной оптической схемы.
Было бы неплохо, если бы автор более подробно рассказал и показал работу оптического пинцета, а так же привёл примеры и дал ссылки.

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Грандканьон
Грандканьон

Научно-популярный лекторий РНФ на Международном молодежном научном форуме «Ломоносов-2019»
С 9 по 11 апреля российские ученые рассказывают о своих научных исследованиях, которые выполняются по грантам Российского научного фонда. Лекции проходят в рамках Лектория РНФ во время проведения Международного молодежного научного форума «Ломоносов-2019».

Фестивали «От Винта!» и NAUKA 0+ представили инновационные проекты на выставке Hannover Messe 2019
Ганновер (Германия) 5 апреля 2019 года. – Объединённая экспозиция Фестиваля детского и молодежного научно-технического творчества “От Винта!” и Всероссийского фестиваля NAUKA 0+ была представлена на крупнейшей выставке промышленных технологий Hannover Messe 2019 в Германии в составе стенда Российской Федерации, организованного Российским экспортным центром при поддержке Министерства промышленности и торговли РФ.

Стань магистрантом в области светодиодных технологий без экзаменов
От бакалавриата к магистратуре без вступительных экзаменов уже сейчас? С портфолио возможно все! Участвуйте в конкурсе «Науке нужен ты!» и получайте бюджетный билет в первую в России магистерскую программу в области светодиодных технологий и оптоэлектроники Университета ИТМО!

Интервью с Константином Козловым - абсолютным победителем XIII Наноолимпиады
А.А.Семенова
Школьник 11 класса Константин Козлов (г. Москва) стал абсолютным победителем Олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в будущее!" 2018/2019 по комплексу предметов "физика, химия, математика, биология". О своих впечатлениях, увлечениях и немного о планах на будущее Константин поделился с нами в интервью.

Микроэлементарно, Ватсон: как микроэлементы действуют на организм
Алексей Тиньков
Как на нас воздействуют кадмий, ртуть, цинк, медь и другие элементы таблицы Менделеева рассказал сотрудник кафедры медицинской элементологии РУДН Алексей Тиньков в интервью Indicator.Ru

Зимняя научная конференция студентов 4 курса ФНМ МГУ 22-23 января 2019 г.
Сафронова Т.В.
Настоящий сборник содержит тезисы докладов зимней научной студенческой конференции студентов 4-го курса ФНМ

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.