کشف جدید، استفاده از انبرک‌های نوری را بهبود می‌بخشد

تاریخ: 2018 دسامبر 13
منبع: دانشگاه گوتنبرگ    

توضیح تصویر: ذره‌ای در حرکت براونی که منظره‌ای رندوم را سیاحت می‌کند که توسط یک الگوی نوری، که تحت عنوان الگوی خال خالی شناخته شده است، خلق شده است. الگوهای خال خالی زمانی شکل می گیرند که نور به سطحی ناهموار برسد.
اعتبار: تصویر لورا پرز گارسیا
 

جایزه نوبل امسال فیزیک که برای کشفیات در فیزیک لیزر اهدا شد انبرک‌های نوری را به رسمیت می شناسد. در حال حاضر محققان دانشگاه گوتنبرگ روشی را ایجاد کرده اند که به طور چشمگیری استفاده از انبرک های اپتیکی را ساده می‌کند و بهبود می‌بخشد.
 
جیووانی والپه، استاد ارشد در گروه فیزیک دانشگاه گوتنبرگ می گوید: "این ایده در طی یک سفر به دانشگاه مستقل ملی مکزیک در سال گذشته به ذهن من خورد. معلوم شد که آزمایشگاه آنجا قبلا تمام اطلاعات لازم برای اثبات این روش جدید را داشته است،"  انبرک های نوری در اواخر دهه 1980 کشف شد. آنها را می توان به عنوان انگشت های پرتو نور توصیف کرد که می توانند ذرات، اتم ها، مولکول ها و حتی باکتری ها و دیگر سلول های زنده را نگه دارند.
 
انبرک های نوری در اواخر دهه 1980 کشف شد. آنها را می توان به عنوان انگشت های پرتو نور توصیف کرد که می توانند ذرات، اتم ها، مولکول ها و حتی باکتری ها و دیگر سلول های زنده را نگه دارند. این تکنیک شامل یک لیزر نوری است که توانایی نگه داشتن مثلاً یک سلول را بر روی خود دارد بدون اینکه آسیبی به آن برساند. این باعث می شود اندازه گیری بسیار دقیق انجام شود.
 

چالش در استفاده از انبرکهای نوری، نیاز به کالیبره کردن دقیق لیزر نوری است. محققانی که از انبرک های نوری استفاده می کنند باید دقیقا بدانند چه چیزی را می خواهند ببینند و به چه نحوی، تا بتوانند تنظیمات دقیق لازم را قبل از شروع اندازه گیری انجام دهند.
 
با کشف جدید که در مجله علمی Science Communications منتشر شده است، این تکنیک در حال حاضر قابل استفاده است.
 
جیووانی والپه می گوید: "ما موفق به توسعه یک روش اندازه گیری شده ایم که دقیق تر است، اما تنها با استفاده از داده هایی 10 بار کمتر و 100 برابر سریعتر از روش هایی که در حال حاضر در دسترس است." "این روش به طور کامل اتوماتیک است و به هیچ پارامتر از پیش تعیین شده‌ای برای کار نیاز ندارد." می توان از انبرک های نوری برای اندازه گیری نیروهای بسیار کوچک در کاربردهای بیولوژیکی استفاده کرد.
 

با استفاده از این روش، انبرک های نوری از آزمایشگاه فیزیک منتقل شده و در تحقیقات دارویی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
 
والپ می گوید: "شخصا، آنچه که من در مورد روش جدید بیشتر از هر چیز دیگری هیجان انگیز تشخیص دادم، امکان مطالعه سیستم هایی است که در حال تعادل نیستند، سیستم هایی که در سیلان هستند." "ما قادر خواهیم بود پدیده‌هایی را اندازه گیری کنیم که قبلاً در مورد آنها می‌دانستیم اما نمی‌توانستیم آنها را ببینیم."
 
به گفته محققان، می توان از انبرک های نوری برای اندازه گیری نیروهای بسیار کوچک در کاربردهای بیولوژیکی استفاده کرد. با این روش همچنین می توان به تجزیه و تحلیل آنچه که به عنوان میدان های قدرت گسترده شناخته شده است پرداخت.
 
لورا پرز گارسیا، که به عنوان نویسنده اصلی در مقاله ارتباطات طبیعت معرفی شده است، اکنون به عنوان دانشجوی دکترا به دانشکده فیزیک دانشگاه گوتنبرگ پیوسته است.
 
پرز گارسیا می گوید: "من افتخار می کنم که این کشف را اعلام کنم. این، نتایجِ حاصل از یک همکاری بین المللی خوب بود که منجر به رفتن من به گووتنبرگ و تبدیل شدنم به بخشی از تیم تحقیقاتی جیووانی والپه شد."
 

ابزار لازم توسط Arthur Ashkin اختراع شد و به گفته او نشان دهنده تحقق رویای علمی تخیلی او است - استفاده از میدان نیروی نور برای حرکت اشیاء فیزیکی. هنگامی که آرتور اشخین با موفقیت با استفاده از نور لیزر ذرات کوچک را به سوی نقطه میانی پرتو حرکت داد و آنها را در آنجا نگه داشت انبرکهای اپتیکی متولد شدند. یک موفقیت بزرگ در سال 1987 اتفاق افتاد، زمانی که Ashkin باکتری های زنده را با این انبرک ها بدون آسیب رساندن به آنها گرفت. او بلافاصله شروع به استفاده از این نوع انبرک برای مطالعه سیستم های بیولوژیک کرد. امروز انبرک‌های نوری به طور گسترده در جامعه تحقیق مورد استفاده قرار می‌گیرند.
 

دانشمندان روش پیشگام جدیدی را ایجاد کرده اند که می تواند راه را برای نسل بعدی انبرک های اپتیکی هموار کند. دانشمندان میکرو روتورهای به دام افتاده اپتیکی را توسعه داده اند که در مایع اطراف ذره قرار می گیرند و برای حرکت ذره با استفاده از جریان مایع مورد استفاده قرار می گیرند.
     
یک تیم از محققان از دانشگاه های گلاسکو، بریستول و اکستر، روش جدیدی را برای حرکت دادن اشیاء میکروسکوپی به اطراف با استفاده از میکرو رباتیکها ایجاد کرده اند.
 
در حال حاضر از انبرکهای نوری - که برای مطالعه پروتئین ها، موتورهای مولکولی بیولوژیکی، DNA و زندگی درونی سلول ها استفاده می شود - از نور برای نگه داشتن اشیائی به کوچکی یک نانو ذره منفرد در یک مکان استفاده می‌کنند.
 
آنها از نیروهای نوری غیر معمول ایجاد شده توسط پرتوهای لیزر کاملاً متراکم استفاده می کنند تا ذرات را به دام انداخته و آنها را اداره کنند، و به این ترتیب آنها اساسا به عنوان دستهای میکروسکوپی برای دانشمندان عمل می کنند.
 
اولین انبرک های نوری در دهه 1970 توسط دکتر آرتور اشکین ساخته شد. از آن به بعد، یک سری پیشرفت ها به دانشمندان اجازه داده اند دستکاری اجسام پیچیده‌ای مانند ویروس ها و سلول ها را با این وسیله انجام دهند. دکتر Ashkin، که در حال حاضر در دهه 90 عمر خود است ، به تازگی جایزه نوبل فیزیک در سال 2018 برای کار پیشگامانه خود دریافت کرد.
 
با این حال، این تکنیک موجود محدودیت دارد - شدت زیاد نور مورد نیاز انبرک نوری می تواند به نمونه های بیولوژیکی زنده آسیب برساند و همچنین انواع اشیائی که می توانند به این وسیله نگاه داشته شوند محدود هستند.
 
در حال حاضر، تیم تحقیقاتی یک تکنیک جدید را ایجاد کرده است که باعث می شود بتوان بدون تمرکز نور لیزر روی ذرات، آنها را به صورت اپتیکی به دام انداخت.
 
برای انجام این کار، آنها میکرو روتورهای به دام افتاده اپتیکی را توسعه داده اند که در مایع اطراف ذره قرار می گیرند و برای حرکت ذره با استفاده از جریان مایع مورد استفاده قرار می گیرند.
 
با چرخش میکرو روتور، موجی در مایع ایجاد می شود که نیرویی بر ذره وارد می کند - خیلی مشابه همان چیزی است که یک جت آب در یک جکوزی می تواند به هر چیزی که از قبل شناور است، فشار وارد آورد.
 
با کنترل مسیرهای هر میکرو روتور، دانشمندان می توانند ذرات را به یک مکان خاص حرکت دهند یا آن را در یک نقطه نگه دارند – این اجازه می دهد که ذرات مرتب شوند یا با وضوح بالا تصویر برداری شوند.
 
بر گرفته از سایت ساینس دِیلی

مترجم: علی رضایی میر قائد