Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рисунок 1. Схематическое изображение сходящегося к фокусу и расходящегося после него красного луча. В месте фокусировки луча видна шарообразная чатица.
Рисунок 2. Схематическое изображение шарообразной частицы, находящейся в ОДНОРОДНОМ электрическом поле напряжённостью Е. Знаками "+" и "-" показаны связанные заряды, возникшие на поверхности частицы при её поляризации. Электрические силы, действующие на положительные (F+) и отрицательные (F-) связанные заряды, одинаковы.
Рисунок 3. Схематическое изображение ТРЁХ шарообразных частиц, находящихся в НЕоднородном электрическом поле фокусированного светового луча вблизи области фокуса. Знаками "+" и "-" показаны связанные заряды, возникшие на поверхности частиц при их поляризации. Электрические силы, действующие на положительные (F+) и отрицательные (F-) связанные заряды, вызывают движение частиц по направлению к области фокуса.
Рисунок 4. Схематическое изображение шаровидной частицы, находящейся в фокусированном пучке света слева от его оси (a) и на его оси (b). Интенсивность красного закрашивания соответствует интенсивности света в данной области луча. 1 и 2 - лучи, преломление которых показано на рисунке, а толщина соответствует их интенсивности. F1 и F2 - силы, действующие на частицу согласно закону сохранения импульса, при преломлении лучей 1 и 2, соответственно. Fnet - результирующая F1 и F2. Взято из википедии

Как работает оптический нанопинцет

Ключевые слова:  довузовское образование, наноазбука, оптический пинцет, периодика

Автор(ы): Богданов К.Ю.

Опубликовал(а):  Богданов Константин Юрьевич

26 февраля 2008

Оптический (или лазерный) пинцет представляет из себя устройство, использующее сфокусированный луч лазера для передвижения микроскопических объектов и удержания их в определённом месте. Одна из статей "Наноазбуки" (см. здесь) уже была посвящена этому важному инструменту нанотехнологий. Автор этой статьи постарается в популярной форме ответить на вопрос - почему некоторые частицы, оказавшись в лазерном луче, стремятся в ту область, где интенсивность света максимальна, т.е. в фокус (см. рис. 1).

Причина I - поляризованные частицы втягиваются в электрическое поле

Прежде чем объяснить стремление частиц к фокусу, вспомним, что луч света - это электромагнитная волна, и чем больше интенсивность света, тем больше напряжённость электрического поля в поперечном сечении луча. Поэтому в фокусе среднеквадратичная величина напряжённости электрического поля может увеличиваться во много раз. Таким образом, электрическое поле фокусируемого светового луча становится НЕоднородным, увеличиваясь по интенсивности по мере приближения к фокусу.

Пусть частица, которую мы хотим удержать с помощью оптического пинцета, сделана из диэлектрика. Известно, что внешнее электрическое поле действует на молекулу диэлектрика, перемещая внутри неё разноимённые заряды в разные стороны, в результате чего эта молекула становится диполем и ориентируется вдоль силовых линий поля. Это явление называют поляризацией диэлектрика. При поляризации диэлектрика на его противоположных по отношению к внешнему полю поверхностях появляются разноимённые и равные по величине электрические заряды, называемые связанными.

Пусть наша частица из диэлектрика находится в световом луче вдали от фокуса. Тогда можно считать, что она находится в однородном электрическом поле (см. рис. 2). Так как напряжённость электрического поля слева и справа от частицы одна и та же, то и электрические силы, действующие на положительные (F+) и отрицательные (F-) связанные заряды, тоже одинаковы. В результате, частица, находящаяся в ОДНОРОДНОМ электрическом поле остаётся НЕПОДВИЖНОЙ.

Пусть теперь наша частица находится рядом с областью фокуса, где напряжённость электрического поля (густота силовых линий) постепенно возрастает (крайне левая частица на рис. 3) при движении слева направо. В этом месте частица тоже будет поляризована, но электрические силы, действующие на положительные (F+) и отрицательные (F-) связанные заряды, будут различны, т.к. напряжённость поля слева от частицы меньше, чем справа. Поэтому на частицу будет действовать результирующая сила, направленная вправо, к области фокуса.

Легко догадаться, что на крайне правую частицу (см. рис. 3), находящуюся с другой стороны фокуса, будет действовать результирующая, направленная влево, к области фокуса. Таким образом, все частицы, оказавшиеся в фокусированном луче света, будут стремиться к его фокусу, как маятник стремится к положению равновесия.

Причина II - преломление света удерживает частицу в центре луча

Если диаметр частицы гораздо больше длины волны света, то для такой частицы становятся справедливы законы геометрической оптики, а именно, частица может преломлять свет, т.е. изменять его направление. В то же время, согласно закону сохранения импульса сумма импульсов света (фотонов) и частицы должна оставаться постоянной. Другими словами, если частица преломляет свет, например, направо, то сама она должна двигаться налево.

Следует отметить, что интенсивность света в лазерном луче максимальна вдоль его оси и постепенно падает при удалении от неё. Поэтому, если частица находится на оси светового пучка, то число фотонов, отклоняемых ею налево и направо, одинаково. В результате, частица остаётся на оси (см. рис. 4b).

В случая, когда частица смещена влево относительно оси светового луча (см. рис. 4a), число фотонов, отклоняемых налево (см. луч 2 на рис. 4a), превышает их число, отклоняемых направо (см. луч 1 на рис. 4a). Поэтому возникает составляющая силы Fnet, направленная к оси луча, направо.

Очевидно, что на частицу, смещённую вправо от оси луча, будет действовать результирующая, направленная влево, и опять к оси данного луча. Таким образом, все частицы, оказавшиеся не на оси луча, будут стремиться к его оси, как маятник к положению равновесия.

Исключения из правил

Чтобы оптический пинцет использовал силы, описанные выше в "причине I", необходимо, чтобы частица поляризовалась во внешнем электрическом поле и на её поверхности появлялись связанные заряды. При этом связанные заряды должны создавать поле, направленное в противоложную сторону. Только в этом случае частицы устремятся к области фокуса. Если же диэлектрическая постоянная среды, в которой плавает частица, больше диэлектрической постоянной вещества частицы, то поляризация частицы будет обратной, и частица будет стремиться убежать из области фокуса. Так, например, ведут себя воздушные пузырьки, плавающие в глицерине.

Такие же ограничения относятся и к "причине II". Если абсолютный показатель преломления материалы частицы будет меньше, чем у среды, в которой она находится, то частица будет отклонять свет в другую сторону, а значит, стремиться отойти подальше от оси луча. Примером могут быть те же воздушные пузырьки в глицерине.

Чтобы "причины I и II" работали лучше необходимо величину относительного показателя преломления материала частицы делать как можно большей.

Более подробно рассказано о принципах работы оптического пинцета здесь, а посмотреть видео того, как он работает, можно ЗДЕСЬ.

Информацию о других инструментах и явлениях наномира можно найти в научно-популярной лекции «Что могут нанотехнологии», а ссылки на другие публикации автора - на его личной страничке.



Средний балл: 10.0 (голосов 2)

 


Комментарии
А с каких пор optical tweezers
стали переводить как нанопинцет? Извольте показать
микро, санти и килопинцет, пожалуйста!
Вакштейн Максим Сергеевич, 25 февраля 2008 21:56 
Кстати, в Вики есть данная статья, переведенная на русский язык. Можно поставить ссылку на нее.
Она и стоит у автора...
Ну как же все таки правильно, а? У меня в понедельник доклад на конференции
и я не знаю как правильно подписать фильму
таскания сенсоров оптической ловушкой: optical tweezers или таки
optical nano-tweezers?
Физики наши кстати резко зачесали репы когда я пообещал в следующий раз
припереть пробы со сферами около 200 нм в диаметре. Там похоже есть проблемы.
Надо уменьшать длину волны (сейчас она 800-900нм), а это извините чревато, там
фотохимия всяка разна начнется. Квантовым точкам конечно не очень страшно,
но всю нашу сопливую желеобразную сенсорную химию можно элементарно поджарить.
Ну вот я предупреждал, пришлось как босяку докладывать
об оптическом пинцете. А вот некоторые, не будем показывать пальцем,
знают секрет оптического "нанопинцета".
Интересно,но не в тему
Не в какую тему?
Mayorov Alexander Sergeevich, 16 октября 2008 01:06 
О нанопинцетах.

A.N. Grigorenko, N. W. Roberts, M. R. Dickinson & Y. Zhang Nanometric Optical Tweezers Based on Nanostructured Substrates Nature Photonics 2, 365-370 (2008).

A.N. Grigorenko, A.K. Geim, H.F. Gleeson, Y. Zhang, A. A. Firsov, I. Y. Khrushchev, & J. Petrovic. Nanofabricated Media with Negative Permeability at Visible Frequencies Nature 438, 335-338 (2005).
Чернышов Иван Юрьевич, 22 декабря 2008 21:40 
Ахах))) Ну если 200 нм диаметр - то не просто поджарить, а подпалить так подпалить
В начале текущего тысячелетия проведена систематизация гипотетических переносчиков энергии в рамках "Таблицы заведомо элементарных структур" - ТЗЭС. При этом в рамках электрического семейства III ТЗЭС. Установлено существование двух видов электростатических переносчиков энергии 3.0.1 и 3.0.2, на их основе доказано что именно образуются элементарные фотоны 3.1.1 и 3.1.2. При этом переносчики 3.0.1 и 3.0.2, на обменной основе, между электрическими зарядами формируют силы электростатического притяжения. Их в принципе способна формировать и и пара элементарных фотонов 3.1.1, 3.1.2,образованная из. электростатических структурах. Однако элементарные фотоны приобрели способность перемещения на неограниченные расстояния. Поэтому, чтобы фотоны заставить создавать силы притяжения нужно создать условия, чтобы потеряли магнитную структуру, превратившую электростатическую структуру в элементарный фотон. В оптических пинцетах реализуется именно такая функция у макро фотонов, состоящих из элементарных фотонов. Москвич В.Е. Костюшко показал, что силы притяжения можно создавать и в крутящихся вакуумных весах с помощью которых П.Н. Лебедев показал, что световые лучи способны формировать не только силы отталкивания, но силы притяжения. Более того В.Е.Костюшко нашёл какие-то черновые записи П.Н. Лебедева, в которых указывалось, что эффект притяжения лепестков крутильных весов мешал отработке его эксперимента. Однако в то время шли поиски эффекта создания светом исключительно давления, поэтому эффект притяжения сочли просто паразитным. Владимир Александрович Кишкинцев.
В начале текущего тысячелетия проведена систематизация гипотетических переносчиков энергии в рамках "Таблицы заведомо элементарных структур" - ТЗЭС. При этом в рамках электрического семейства III ТЗЭС. Установлено существование двух видов электростатических переносчиков энергии 3.0.1 и 3.0.2, на их основе доказано что именно образуются элементарные фотоны 3.1.1 и 3.1.2. При этом переносчики 3.0.1 и 3.0.2, на обменной основе, между электрическими зарядами формируют силы электростатического притяжения. Их в принципе способна формировать и и пара элементарных фотонов 3.1.1, 3.1.2,образованная из. электростатических структурах. Однако элементарные фотоны приобрели способность перемещения на неограниченные расстояния. Поэтому, чтобы фотоны заставить создавать силы притяжения нужно создать условия, чтобы потеряли магнитную структуру, превратившую электростатическую структуру в элементарный фотон. В оптических пинцетах реализуется именно такая функция у макро фотонов, состоящих из элементарных фотонов. Москвич В.Е. Костюшко показал, что силы притяжения можно создавать и в крутящихся вакуумных весах с помощью которых П.Н. Лебедев показал, что световые лучи способны формировать не только силы отталкивания, но силы притяжения. Более того В.Е.Костюшко нашёл какие-то черновые записи П.Н. Лебедева, в которых указывалось, что эффект притяжения лепестков крутильных весов мешал отработке его эксперимента. Однако в то время шли поиски эффекта создания светом исключительно давления, поэтому эффект притяжения сочли просто паразитным. Владимир Александрович Кишкинцев.
В журнале "Инженер" №4 за 2016 г., есть статья
В.А. Кишкинцева из которой следует, что ему удалось определить собственную энергию элементарных фотонов 3.1.1 и 3.1.2. Она составляет ориентировочно 0,0012эВ. Полагаю для
разработчиков и обладателей лазерных пинцетов эта величина энергии может оказаться интересной. Читатель
Владимир Владимирович, 23 декабря 2016 22:26 
Это какие такие интересные фотоны с энергией "0,0012эВ", (то есть на нижней границе инфракрасного диапазона)? И как таких малых энергий достаточно для какого-то разумного структурирования, eсли kT при комнатной температуре порядка 0,025 эВ?
Такими расчётами я не занимался,т.к. с оптическими пинцетами не работал.Однако те кто с ними работают знают частоту светового излучения, и мощность излучения макро фотонов излучаемых лазерными пинцетами.
Следовательно они могут подсчитать число элементарных фотонов в стае макрофотона. Плюс подсчитать, сколько макрофотонов, т.е. стай их элементарных фотонов участвует в процессе притяжения. Комнатная температура очевидно как то влияет на силы притяжения лазерного пинцета, предлагаю Вам изучить данный процесс.
Это интересно. В. Кишкинцев

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

 

Личная жизнь атомов под пучком (часть 2)
Личная жизнь атомов под пучком (часть 2)

Опубликованы задачи для школьников по физике
Обновлен раздел с условиями задач заочного тура для школьников по комплексу предметов "физика, химия, математика, биология" XII Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям "Нанотехнологии - прорыв в будущее!". Загружены задачи по физике.

Встреча с главным редактором журнала Nature Nanotechnology
23 ноября в 13.30 в аудитории 446 химического факультета состоится встреча с главным редактором журнала Nature Nanotechnology Dr. Fabio Pulizzi. Приглашаются все желающие.

Приглашаем всех на неделю науки МГУ!
С 27 по 30 ноября 2017 года на базе Химического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова в рамках XII Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям пройдет Неделя науки. Приглашаются школьники и их родители, студенты, аспиранты, молодые ученые, учителя и преподаватели. Для слушателей без пропуска МГУ необходима предварительная регистрация.

Вспомнить все (total recall). Часть 3. Методы исследований в нанотехнологиях (практика)
Коллектив авторов
В третьей части рассматриваются экспериментально - практические материалы, связанные с методами анализа продуктов нанотехнологий, в том числе стандартные аналитические, физико – химические и структурные методы анализа. Участники могут изучать отдельно данный курс или комбинировать его с двумя предыдущими.

Вспомнить все (total recall). Часть 2. Решение задач и проектная работа (образование и самоподготовка)
Коллектив авторов
Во второй части рассматриваются обзорные материалы материалы по нанотехнологическому образованию и проектной деятельности (Раздел А), текстовый и иллюстративный материал по образовательным и социальным аспектам с сфере нанотехнологий (Раздел Б), а также самый важный раздел для подготовки к Олимпиадам данной серии, содержащий сборники заданий и решений за 10 олимпиадных лет (Раздел В).

Вспомнить все (total recall). Часть 1. Наноматериалы и нанотехнологии (теоретические аспекты)
Коллектив авторов
В первой части рассматриваются теоретические материалы, сгруппированные по важнейшим темам (Раздел А), уровню сложности (Раздел Б), для свободного чтения по основным группам рубрикатора РОСНАНО (Раздел В), а также для прохождения викторин самоконтроля (Раздел Г).

Система практик ФНМ МГУ
А.Б.Тарасов, А.В.Кнотько, Е.А.Гудилин

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!

Проектная работа

Сегодня становится все более популярной так называемая проектная работа школьников, однако на этот счет есть очень разные мнения. Мы были бы признательны, если бы Вы высказали кратко свое мнение по этому поводу путем голосования. Заранее благодарны!

Закон о реформировании РАН

В Совместном заявлении Совета по науке и членов Общественного совета Минобрнауки предлагается отозвать нынешний проект закона о "реформировании" РАН из Государственной думы и вернуться к его рассмотрению с соблюдением процедуры утвержденной постановлением Правительства РФ №851 от 25.08.2012, и указом Президента РФ №601 от 07.05.2012, которая была грубо нарушена. Мы предлагаем Вам высказать (анонимно) свое мнение в данном опросе, чтобы его статистические результаты были видны всем участникам опроса и общественности.



 
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.