|
100 μετά την εργασία-ορόσημο
του Einstein, η τεχνολογία των οπτικών λαβίδων θα μπορούσε να πιστοποιήσει
τις λεπτομέρειες της κλασσικής κίνησης Brown, πράγμα που ο Einstein δεν
είχε τα μέσα να το κάνει, έναν αιώνα πριν.
Η τωρινή έρευνα δημοσιεύεται στο
περιοδικό New Journal of Physics (www.njp.org) του Βρετανικού ινστιτούτου
φυσικής σε συνεργασία με την Γερμανική Ένωση Φυσικών, σε ένα αφιέρωμα του
περιοδικού για το έτος Einstein που διανύουμε.
Οι 'οπτικές λαβίδες' χρησιμοποιούν μια εστιασμένη δέσμη λέιζερ για να
παγιδεύσουν και να μπορέσουμε έτσι να μελετήσουμε μικροσκοπικά
αντικείμενα, όπως τα μεμονωμένα βιομόρια, από τα οποία το μυικό σύστημα
αντλεί την ισχύ του, ή εκείνα που προωθούν τα σπερματοζωάρια, ή ακόμη και
εκείνα που διαβάζουν τον γενετικό κώδικα. Η συσκευή όμως διαταράσσεται από
ένα μικροσκοπικό φαινόμενο της κίνησης Brown, που είναι γνωστό σαν
φαινόμενο "της ροής που επιστρέφει".
100 χρόνια πριν, το1905, ο Einstein δημοσίευσε μια εργασία ορόσημο για την
κίνηση Brown. Ο Einstein θεώρησε ότι η διαρκής κίνηση των μικροσκοπικών
σωματιδίων που αιωρούνται μέσα σ' ένα υγρό, συμβαίνει καθώς τα μόρια του
υγρού χτυπάνε τυχαία από όλες τις πλευρές αυτά τα σωματίδια Αγνόησε όμως
το μικροσκοπικό φαινόμενο κατά το οποίο η ίδια η κίνηση ενός τέτοιου
σωματιδίου, διαταράσσει το νερό το οποίο τελικά ανακλάται και επιστρέφει
και επηρεάζει το σωματίδιο.
"Είναι σαν μια βάρκα να προσπαθεί να
σταματήσει, και να ωθείται από τον κυματισμό του νερού που στέλνει προς τα
πίσω, όταν αυτός ο κυματισμός την φτάνει και αλληλεπιδρά μαζί της."
εξηγεί ο Henrik Flyvbjerg του εθνικού εργαστηρίου Risø της Δανίας. "Οι
οπτικές λαβίδες αισθάνονται αυτό το φαινόμενο της ροής που επιστρέφει",
προσθέτει ο Flyvbjerg, "αλλά αυτό σημαίνει επίσης ότι μπορούμε να
μελετήσουμε αυτό το φαινόμενο με τη βοήθειά τους".
Ο Einstein περιέγραψε την κίνηση Brown ότι προέρχεται από τον "λευκό"
θόρυβο της τυχαίας μοριακής κίνησης που οφείλεται στη θερμική κίνηση. Αλλά
αυτό το φαινόμενο της επιστρέφουσας ροής κάνει λίγο πιο πιθανή την ύπαρξη
και ελαφρά υψηλότερων συχνοτήτων, οι οποίες κάνουν τον "λευκό" θόρυβο να
μετατοπίζεται λίγο και προς το "μπλε".
Οι όροι λευκός και μπλε,
υποδηλώνουν μόνο μετακίνηση του ορίου συχνοτήτων προς υψηλότερες
συχνότητες. Ο Flyvbjerg και οι συνεργάτες του δείχνουν ότι οι οπτικές
λαβίδες βρίσκονται τώρα σε σημείο όπου αυτή η "χρωματική" μετατόπιση
μπορεί σήμερα να μετρηθεί άμεσα. Ο ίδιος συνεργάζεται με τον Steve Block
του πανεπιστημίου του Stanford, για να μπορέσουν να εκτελέσουν την μέτρηση
αυτή. Αν πετύχουν, θα επιβεβαιώσουν και την τελευταία λεπτομέρεια του
φαινομένου που δεν έχει παρατηρηθεί έως σήμερα, 100 χρόνια μετά τη
δημοσίευση της εργασίας του Einstein.
Σημείωση: Η εργασία δημοσιεύτηκε στις 31 Ιανουαρίου στο περιοδικό New
Journal of Physics (www.njp.org) ως μέρος ενός αφιερώματος με θέμα "Η
κίνηση Brown και η διάχυση στον 21ο αιώνα"
Οπτικές λαβίδες
Οι οπτικές
λαβίδες (optical
tweezers) είναι ένα
όργανο με το οποίο χειριζόμαστε πολύ μικρά αντικείμενα, που δεν είναι
δυνατόν για διάφορους λόγους
να τα αγγίξουμε με γυμνό
χέρι. Η
λειτουργία τouς βασίζεται στην αλληλεπίδραση ακτίνων λέιζερ με
μικροσωμάτια (διαστάσεων από μερικά χιλιοστά έως και μερικά εκατομμυριοστά
του μέτρου).
Οι οπτικές λαβίδες
για πρώτη φορά χρησιμοποιήθηκαν σε ένα ιστορικό πείραμα,
που πραγματοποιήθηκε το 1970 από τον Αμερικανό ερευνητή Arthur Ashkin στα
εργαστήρια Bell της ΑΤ &Τ. Η αιτία που οδήγησε τον Ασκιν στην ανακάλυψη του ήταν
απλώς και μόνον η περιέργεια για ένα αποτέλεσμα που είχε ανακοινώσει
ένας διδακτορικός φοιτητής σε ένα συνέδριο.
Στο πείραμα αυτό έγινε εφικτή
η μετακίνηση μικροσκοπικών σφαιριδίων από καουτσούκ (με διαστάσει γύρω στα
είκοσι δισεκατομμυριοστά του μέτρου), τα οποία βομβαρδίζονται από μια
δέσμη φωτός λέιζερ. Η δύναμη από τη δέσμη του λέιζερ εξισορρόπησε την
επίδραση της βαρύτητας πάνω στα σωμάτια.
Η οπτική λαβίδα εφευρέθηκε το 1980 από τον ίδιο ερευνητή και τον Steven Chu
(Νόμπελ Φυσικής 1997), όταν κατόρθωσε να μετακινήσει και ταυτόχρονα να
παγιδεύσει σε μια μικρή περιοχή μικρά διηλεκτρικά σφαιρίδια. Στα σημερινά
πειράματα για να μπορούμε να αντισταθμίζουμε την επίδραση του βάρους
χρησιμοποιούμε υγρά μέσα (π.χ. νερό), στα οποία τα σωμάτια αιωρούνται λόγω
της επίδρασης της άνωσης.
Ο μηχανισμός των οπτικών λαβίδων βασίζεται στη χρήση μιας καλά εστιασμένης
δέσμης λέιζερ με την οποία επιτυγχάνουμε την παγίδευση και τον χειρισμό
σωματιδίων με διαστάσει από εκατό δισεκατομμυριοστά έως εκατό χιλιοστά του
μέτρου.
Αρχικά, οι οπτικές λαβίδες βρήκαν την εφαρμογή τους σε διαφανή διηλεκτρικά
σωμάτια. Σήμερα, είναι δυνατή και η χρήση οπτικών λαβίδων για αδιαφανή
(ανακλαστικά) σωματίδια με τη χρήση ειδικών δεσμών λέιζερ. Είναι
αξιοσημείωτο ότι η ίδια δέσμη λέιζερ που χρησιμοποιούμε για την παγίδευση
των σωματιδίων, εισάγεται ταυτόχρονα σε ένα συμβατικό οπτικό μικροσκόπιο,
με αποτέλεσμα να μπορούμε να παρατηρούμε την κίνηση των σωματιδίων μέσα στο υγρό.
Οι οπτικές λαβίδες έχουν μεγάλες βιολογικές εφαρμογές, οι οποίες αφορούν
την παγίδευση, κίνηση και τοποθέτηση μιας μεγάλης ποικιλίας μεμονωμένων
κυττάρων και υποκυτταρικών σωματιδίων. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί
στην εκλογή του μήκους κύματος της ακτινοβολίας λέιζερ, γιατί είναι
δυνατόν να υποστούν καταστροφές οι έμβιοι οργανισμοί.
Η εφαρμογή των οπτικών λαβίδων στην Κυτταρική Βιολογία είναι εφικτή γιατί
τα περισσότερα κύτταρα, παράσιτα και άλλοι μικροοργανισμοί, είναι διαφανή
στις ακτινοβολίες του ορατού φάσματος. Αξίζει να αναφερθούμε σε πειράματα
στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, όπου έχουν χρησιμοποιηθεί οπτικές λαβίδες
για τη μέτρηση της ελαστικότητας της ουράς βακτηρίων.
Στο Βασιλικό Κολέγιο του Πανεπιστημίου του Λονδίνου έχουν χρησιμοποιηθεί
για να μετρηθούν οι δυνάμεις που παράγονται από μεμονωμένες μυϊκές ίνες.
Στη Γλασκόβη έχουν γίνει προσπάθειες xρήσης οπτικών λαβίδων για μελέτη και
απομόνωση παρασίτων στο νερό.
Στην Γκρενόμπλ γίνεται προσπάθεια για το χειρισμό των μαγνητικών
σωματιδίων, ενώ στο Πρίνστον μετρούνται οι ελαστικές ιδιότητες των ελίκων
του DNA. Τέλος, στο Πολυτεχνείο του Γουόρσεστερ στη Μασαχουσέτη έκοψαν με
τη βοήθεια λέιζερ ένα κύτταρο και στη συνέχεια, με τη βοήθεια μιας
λαβίδας, εμφύτευσαν ένα απλό βακτήριο μέσα στο κύτταρο.
Το 1994 στο Πανεπιστήμιο του Σεντ Avτριους (Σκοτία)
επιτεύχθηκαν οπτικές λαβίδες, οι οποίες έχουν την ικανότητα, ταυτόχρονα με
την παγίδευση, να περιστρέφουν το σωματίδιο. Αυτό επιτεύχθηκε με τη χρήση
δεσμών λέιζερ Γκάους-Λαγκέρ, οι οποίες χαρακτηρίζονται από ελικοειδή
μέτωπα κύματος και μηδενική ένταση κατά μήκος του άξονα της δέσμης, ώστε η
διατομή τους να έχει σχήμα δαχτυλιδιού.
Το φαινόμενο αυτό παρατηρήθηκε σε μικρές σφαίρες από γυαλί
και τεφλόν εμβαπτισμένες σε νερό ή αίϊκοοήΊκό διάλυμα. Το πλεονέκτημα
αυτών των δεσμών είναι ότι μπορούν να δουλεύουν με χαμηλή ισχύ και συνεπώς
δεν κινδυνεύουν οι μικροοργανισμοί από καταστροφή.
Πέρα από τη βιολογία θα άξιζε να αναφέρουμε ότι με τη χρήση οπτικών
λαβίδων έχει επιτευχθεί να τεθεί σε κίνηση ένα «κιβώτιο ταχυτήτων»
αποτελούμενο από δύο τροχούς φτιαγμένους από ένα δισεκατομμύριο μόρια,
όπου με τη χρήση μικροσκοπικών συρμάτων από κεραμικά υλικά, τα οποία
παίζουν τον ρόλο ιμάντα, γίνεται προσπάθεια κατασκευής μηχανών σε μοριακές
διαστάσεις. Τα πειράματα αυτά εξελίσσονται στο Πανεπιστήμιο Κορνέλ. Η
ανάπτυξη των οπτικών λαβίδων επιφέρει, κυριολεκτικά, επανάσταση στην επαφή
του ανθρώπου με τον μικρόκοσμο των κυττάρων και των βιολογικών σωματιδίων.
Πηγή: Ελευθεροτυπία
|
