Πως μπορεί να γίνει η διαχείριση των νανοσωματίων

Από την ιστοσελίδα Physical Review FOCUS, Φεβρουάριος 2003

Οι οπτικές λαβίδες είναι εστιασμένες δέσμες φωτός και με αυτές παγιδεύονται και μετακινούνται μικροσκοπικά αντικείμενα μεγέθους μερικών μικρών του μέτρου, αλλά σωμάτια μεγέθους νανομέτρων γενικά γλιστράνε μέσα από αυτές τις τσιμπίδες. Τώρα οι ερευνητές υπολογίζουν ότι λέιζερ συντονισμένο σε ενέργειες της τάξης των ενεργειακών σταθμών των νανοσωματιδίων από ημιαγώγιμα υλικά θα μπορούσαν να αυξήσουν τη δύναμη που ασκούν στα σωματίδια  κατά 100.000 φορές. Μια προηγούμενη μελέτη έδειξε επίσης μια παρόμοια αλλά πολύ λιγότερο δραστική αύξηση της δύναμης. Η τωρινή εργασία που εμφανίζεται στο τεύχος της 7ης Φεβρουαρίου του περιοδικού Physical Review Letters [1], δείχνει τον τρόπο για την αύξηση του μεγέθους και την επιλογή του σχήματος κατασκευών από νανοσωμάτια. 

Επιλογή με φως. Φως λέιζερ συντονισμένο σε συχνότητα που να ταιριάζει στα ενεργειακά επίπεδα του αντικειμένου που θέλουμε να μετακινήσουμε, μπορεί να συνεισφέρει στην επιλογή μεγέθους και σχήματος μιας κατασκευής από νανοσωμάτια. Στην εικόνα φαίνεται μια δέσμη φωτός να σπρώχνει ένα συγκεκριμένο μέγεθος σωματίων προς ένα στάσιμο κύμα φωτός. Τα σωμάτια κατευθύνονται προς τους δεσμούς του στασίμου κύματος. 

Ο διαχωρισμός μικροσκοπικών αντικειμένων κατά μέγεθος και σχήμα είναι μια εργασία μεγάλης σημασίας. Η ταχύτητα με την οποία τα θραύσματα του τεμαχισμένου DNA μπορούν να διαταχθούν καθορίζει την ταχύτητα της γενετικής ακολουθίας. Στην επιστήμη των υλικών, η ικανότητα της ακριβούς επιλογής και προσανατολισμού των σωματίων θα επέτρεπε στους ερευνητές να επιλέγουν υλικά που αποκρίνονται σε μια στενή περιοχή των συχνοτήτων του φωτός. Μετά από μια επιτυχία στην παγίδευση μεταλλικών σωματίων, οι ερευνητές έχουν τώρα να καταφέρουν τον χειρισμό αντικειμένων με διάμετρο δεκάδων νανομέτρων.  

Στις οπτικές λαβίδες, το ηλεκτρικό πεδίο ενός λέιζερ συγκεντρώνεται σε ένα εστιακό σημείο, ενώ σε όλα τα άλλα σημεία είναι ασθενικό. Οι διφορές αυτές στην ένταση του πεδίου είναι που ωθούν το σωμάτιο στο κέντρο της δέσμης. Ακόμη και σωμάτια χωρίς φορτίο αισθάνονται την βαθμίδα του πεδίου διότι η ταλάντωση του ηλεκτρικού πεδίου προκαλεί παραμόρφωση και πολώνει τα ηλεκτρονικά νέφη των μορίων, κι έτσι ενισχύει το φαινόμενο. Σωμάτια πολύ μικρότερα από το μήκος κύματος του φωτός επηρεάζονται όμως ελάχιστα. Οι ερευνητές έχουν οραματιστεί το ξεπέρασμα της δυσκολίας με το να συντονίσουν τη συχνότητα του λέιζερ με τις ενεργειακές διαφορές των ηλεκτρονιακών καταστάσεων των σωματίων. 

Τώρα οι Takuya Iida και Hajime Ishihara του Πανεπιστημίου της Osaka, έχουν υπολογίσει σωμάτια οξειδίου του ψευδαργύρου ή χλωριούχου χαλκού, μεγέθους 10 νανομέτρων, θα δέχονταν 10.000 έως 100.000 φορές μεγαλύτερη δύναμη από μια συντονισμένη δέσμη, παρά από μια ασυντόνιστη. Οι ίδιοι φαντάζονται ότι θα μπορούσαν να σπρώξουν το σωμάτιο μεγέθους μορίου, με απλή πίεση της ακτινοβολίας, - κάπως σαν να έσπρωχναν μια χάντρα κάτω από την επιφάνεια του νερού με τη βοήθεια ενός ρεύματος νερού, - αντί να το παγιδεύσουν σ' ένα συγκεκριμένο εστιακό σημείο. Η ενίσχυση αυτή της δύναμης συμβαίνει διότι ο συντονισμός μεγαλώνει την πόλωση του σωματίου, κι έτσι αυτό σκεδάζει περισσότερα φωτόνια. Αν δύο δέσμες λέιζερ που διαδίδονται αντίθετα, ρυθμίζονταν ώστε να δημιουργήσουν ένα στάσιμο κύμα, το αποτέλεσμα που θα είχαμε για τη βαθμίδα του ηλεκτρικού πεδίου, θα κατεύθυνε τα σωμάτια προς τους δεσμούς του στασίμου κύματος. Μια άλλη πρόσφατη μελέτη του φαινομένου με τη χρήση σχεδόν συντονισμένου φωτός σε μικρά σωματίδια, πρόβλεπε μια ενίσχυση της δύναμης που παγίδευε το σωμάτιο κατά 50 φορές.   [2].

Η ομάδα της Osaka βρήκε ότι το μέγιστο της δύναμης εξαρτάται κυρίως από το μέγεθος και το σχήμα του συγκεκριμένου αντικειμένου επί του οποίου εφαρμόζεται. Ο Ishihara λέει ότι αυτό το αποτέλεσμα ανοίγει το δρόμο για μια νέα οπτική μέθοδο διάταξης των νανοσωματίων. Η διάδοση του φωτός του λέιζερ θα μπορούσε να σπρώξει επιλεκτικά κάποια αντικείμενα ορισμένου μεγέθους, μέσα από ένα σωρό σωματίων διαφόρων μεγεθών, και ένα στάσιμο κύμα λέιζερ θα μπορούσε στη συνέχεια να τα διευθετήσει σε συγκεκριμένους περιοδικούς σχηματισμούς. 

Ο David Grier του Πανεπιστημίου του Chicago παρατηρεί ότι οι ερευνητές έχουν προτείνει τη μέθοδο του συντονισμού εδώ και μια δεκαετία, αλλά έχει εντυπωσιαστεί από τη δυνατότητα μιας ενίσχυσης κατά 10.000 φορές. "Πρόκειται για μια παράξενη πρόβλεψη που μπορεί βέβαια να δοκιμαστεί. Διατάξεις από συντονισμένες τέτοιες λαβίδες, θα μπορούσαν να ανοίξουν μια νέα λεωφόρο για την ταξινόμηση βιολογικών μορίων" λέει. [3].

Ο Philippe Guyot-Sionnest, επίσης στο πανεπιστήμιο του Chicago, πιστεύει ότι το συντονισμένο φως λέιζερ θα κάψει τα νανοσωματίδια. Ο Ishihara ισχυρίζεται ότι κάτι τέτοιο είναι σωστό για μεγαλύτερα σωμάτια, αλλά η δουλειά της ομάδας του δείχνει ότι για κάποια τουλάχιστον σωμάτια, η θερμότητα ακτινοβολείτε στο περιβάλλον αρκετά γρήγορα ώστε να αποφεύγεται το λιώσιμο των σωματιδίων.