Відзначені премією відкриття дозволили зробити не один прорив у науці і змінили побут мільйонів людей по всьому світу
У вівторок, 2 жовтня, у Стокгольмі були названі імена чергових лауреатів Нобелівської премії в області фізики. Половину нагороди присудили американському вченому і винахідникові Артуру Ашкіну. Другу половину поділили француз Жерар Муру і канадка Донна Стрікланд, які довгий час співпрацювали. Примітно, що Стрікланд стала лише третьою в історії жінкою, відзначеною "Нобелівкою" в області фізики, а Ашкін – найстаршим лауреатом цієї премії. На момент присудження йому нагороди вченому виповнилося 96 років. Цим вони увійдуть в історію самої премії. А про їхній величезний внесок у науку розповідаємо словами Нобелівського комітету. Він дійсно вражає.
Відзначені цьогоріч винаходи здійснили революцію в лазерній фізиці. Надзвичайно маленькі об'єкти і неймовірно швидкі процеси постали у новому світлі. Не тільки фізика, але і хімія з медициною отримали точні інструменти для використання у фундаментальних дослідженнях і для застосування на практиці.
Артур Ашкін винайшов оптичний пінцет, який захоплює частинки, атоми і молекули за допомогою "пальців" з лазерного променя. Він також може утримувати віруси, бактерії і живі клітини та обробляти їх, не пошкоджуючи. Оптичний пінцет Ашкіна відкрив нові можливості для спостереження і управління живою машинерією.
Жерар Муру і Донна Стрікланд проклали шлях до створення найкоротших і найбільш інтенсивних лазерних імпульсів з тих, які є в розпорядженні людства. Розроблена ними технологія відкрила нові напрямки досліджень і призвела до широкого промислового та медичного застосування; наприклад, мільйони очних операцій виконуються щороку з допомогою найгостріших лазерних променів.
Подорож у променях світла
Одного разу Артуру Ашкіну приснився сон, в якому він використовував для своєї роботи промені світла для переміщення об'єктів. У культовому серіалі 1960-х рр. "Зоряний шлях" (він же "Стар трек") притягувальний світловий промінь використовувався для дистанційної маніпуляції об'єктами, у тому числі космічними астероїдами. Звісно, це звучить як наукова фантастика. Тим не менш, ми можемо відчувати енергію, яку несуть сонячні промені, – в теплий літній день ми самі і світ навколо нагрівається під ними. Однак тиск такого променя на матерію занадто слабкий, і людське тіло не відчуває його ні найменшою мірою. Але чи може сила світла бути достатньою, щоб маніпулювати дрібними частинками і атомами?
Одразу ж після винаходу в 1960 році першого лазера Ашкін почав експериментувати з новим інструментом в стінах Лабораторії Белла неподалік від Нью-Йорка. Прилад змушував світлові хвилі рухатися когерентно (пов'язано і однонаправлено), на відміну від звичайного білого світла, в якому змішані промені всіх кольорів веселки і вони розкидані по всіх напрямках.
У процесі роботи Ашкін зрозумів, що лазер може стати ідеальним інструментом для створення променів світла, які могли б переміщати дрібні частинки. Він спробував направити лазер на прозорі сфери діаметром всього мікрометр. Природно, ці сфери тут же зрушили з місця. Однак учений з подивом відзначив, що всі вони зібралися ближче до центру променя. Це пояснювалося тим, що інтенсивність випромінювання в лазері знижується від центру до країв. Тому і тиск, який лазер чинить на частинки, також змінюється, притискаючи об'єкти до середини променя і утримуючи їх в центрі.
Щоб утримувати частинки в напрямку променя, Ашкін застосував потужну лінзу, яка сфокусувала світло лазера. Вона змусила об'єкти збиратися в точку з найбільшою інтенсивністю світла. Так вийшла світлова пастка, наука також називає її оптичним пінцетом.
Живі бактерії виявляються захопленими за допомогою світла
Після декількох років роботи і цілої низки невдач Ашкіну вдалося упіймати до своєї пастки кілька атомів. Але дослідження все ж стикалися з безліччю труднощів. Одна з них полягала в тому, що наявні лазери все ж були недостатньо потужними, щоб успішно захоплювати атоми, інша – в теплових коливаннях самих атомів. Необхідно було придумати, як сповільнити частинки і "упакувати" їх в область простору куди меншу, ніж крапка в кінці цього речення. Досягти цього вдалося у 1986 році, коли оптичний пінцет почали поєднувати з іншими методами зупинки і захоплення атомів.
В той час, як уповільнення атомів саме по собі було областю вивчення, Артур Ашкін відкрив зовсім нове застосування для свого оптичного пінцета – дослідження біологічних систем. До цього його привела випадковість. Для своїх експериментів по захопленню все менших частинок він використовував зразки маленьких мозаїчних вірусів. Одного разу він випадково залишив їх відкритими на ніч, на ранок зразки були заповнені великими частками, які рухалися туди-сюди. Використавши мікроскоп, вчений виявив, що ці частинки були бактеріями, які не просто вільно плавали у середовищі – наближаючись до лазерного променя, вони потрапляли в оптичну пастку. Однак зелений лазер вбивав їх, тому, щоб зберегти бактерії живими, необхідний був слабший промінь. В невидимому інфрачервоному світлі бактерії залишались неушкодженими і навіть могли розмножуватися в пастці.
Зрештою Ашкін зосередився на дослідженнях різних бактерій, вірусів і живих клітин. Він також показав, що можливо проникати всередину клітини, не руйнуючи її мембрану.
Так американський вчений відкрив цілий світ, де міг бути застосований його оптичний пінцет. Одним з найважливіших його проривів стало відкриття можливості досліджувати механічні властивості молекулярних моторів – великих молекул, які виконують життєво важливу роботу всередині клітин. Першим описаним таким чином мотором став білок кінезин, який здійснює поступальний рух уздовж клітинного каркаса.
Немає коментарів:
Дописати коментар