Лазерный пинцет

 

 

Лазерный пинцет

Рис.1

1 – лазер, 2 – объектив, 3 – оптическая ловушка

В статьях: «Давление света», «Еще раз о давлении света» я уже отмечал насколько велик авторитет П.Н. Лебедева. Особенно отчетливо он проявился при объяснении принципа работы лазерного пинцета. Несмотря на ошибочность выводов по обнаружению давления света, спустя более века, ученые продолжают без оглядки ссылаться на его опыт.

Современные нанотехнологии позволили создать лазерный пинцет, с помощью которого можно захватывать, перемещать, соединять, в общем, проводить различные манипуляции с микро- и нанообъектами. Лазерный (оптический) пинцет представляет собой устройство, использующее сфокусированный луч лазера для перемещения микро- нанообъектов. Инструмент настолько точен, что позволяет перемещать микробы, даже отдельные элементы внутри живой клетки, не разрушая ее целостность. Это весьма важное преимущество пинцета, без механического вмешательства в структуру нанообъектов. Инфракрасное лазерное излучение не повреждает биологические объекты – свидетельством тому, захваченные в оптическую ловушку клетки продолжали делиться.

Лазерный пинцет получает все большее распространение в различных направлениях исследований и практического применения: биология, микрохирургия, нанотехнологии, атомная физика, биофизика. Современные оптические пинцеты позволяют манипулировать коллоидными частицами размерами от нескольких ангстрем до десятков микрометров, действующая на них сила оценивается в пико- и наноНьютонах.

В 1970 г. Артур Ашкин, работавший в компании Bell Telephone Laboratories (США), занимался изучением особенностей рассеивания света на микрочастицах [1]. В процессе исследований ученый обнаружил необычный эффект, сфокусированный луч инфракрасного лазера захватывал микрочастицы, после чего их можно было удерживать и перемещать в пространстве.

Притяжение микроскопических нейтральных частиц, в противовес давлению света, Ашкин назвал «отрицательным давлением излучения».

Как работает оптический пинцет? Частица, при попадании в «поле зрения» вблизи фокуса лазерного луча, начинает двигаться в его направлении, и когда она попадает в фокус, останавливается, возникает эффект оптической ловушки, после чего частицу можно транспортировать.

Изобретение лазерного пинцета – это тот редкий случай, нарушающий закон Морфи, когда экспериментальный результат намного опередил теоретические разработки. Несмотря на солидную историю, до сих пор нет ясного представления как работает оптическая ловушка.

Приведу самое распространенное объяснение принципа работы лазерного пинцета. «Микрочастицы, имеющие размеры больше длины волны падающего света одновременно отражают и преломляют свет лазера, что приводит, согласно второму закону Ньютона, к возникновению сил отталкивания частиц в направлении от источника света и одновременно сил, возвращающих частицу в исходное положение. При помещении частицы в фокус луча лазера эти силы уравновешиваются, и частица попадает в ловушку. Ее смещение от этого положения вызывает появление дополнительной силы, возвращающей частицу обратно. Диэлектрические частицы размером меньше длины волны лазерного излучения также захватываются хорошо сфокусированным лазерным лучом. Их поведение объясняется с точки зрения теории электромагнетизма. Диэлектрические частицы поляризуются в негомогенном электрическом поле лазерного луча и смещаются к оси луча, где напряженность поля максимальна» [2] [3]. (Конец цитаты).

Как видите, притяжение и удержание частиц в фокусе, в зависимости от их размеров, пытаются объяснить одновременно двумя разными способами. В одних случаях для объяснения поведения частиц при захвате в ход идет механика Ньютона и давление света, а в других – теория электромагнетизма.

Вот пример как оценивается действие давления света на частицу, цитата: «Благодаря преломлению, отражению или поглощению падающего на частицу света импульс этого света за промежуток времени dt изменяется на величину dp. Вследствие закона сохранения импульса эта частица должна приобрести такой же по величине импульс, но направленный в другую сторону. Тогда из второго закона Ньютона следует, что на частицу со стороны светового излучения действует сила F = dp/dt. В приближении рассмотрения плоской волны и полностью поглощающей свет частицы, зная выражение для объемной плотности импульса света G = I/c2, можем найти эту силу как F = SI/c, где I — интенсивность излучения, S — площадь освещенной поверхности. Так, для падающего на частицу излучения мощностью 10 мВт оценка величины светового давления дает F≅10 пН, что на три порядка превышает силу тяжести, действующую на частицу» [4].

Если бы световое давление существовало в природе, то его превышение над силой тяжести даже в три раза, а не на три порядка, вытолкнуло бы частицы из лазерного луча. Тогда ни о какой ловушке речи бы не было.

Еще одна фраза, которую прочитал в научно-популярном и образовательном журнале (сайт «Экология и жизнь»). Цитата: «Можно сказать, что путь к оптическому пинцету, или, используя более строгие термины, лазерному микроманипулятору, был открыт выдающимся российским физиком Петром Лебедевым в его опытах 1910 года по обнаружению давления световой волны. Именно сила этого давления втягивает поляризованные диэлектрические микрочастицы в область сфокусированного лазерного излучения. И, получается, позволяет перемещать их вслед за фокусом света» [5].

Полистав станицы интернета, можно в точности встретить данную фразу в других источниках, иногда упоминают имя И. Кеплера с давлением на хвосты комет. Что меня всегда удивляет, так это то, что авторы не задумываются над смыслом переписываемого контента.

Если бы присутствовало давление света, то с его помощью мы бы очистили лазерный канал от всех нанообъектов, но никак наоборот – не смогли бы затянуть их туда. Давление, неважно чего, неважно на что, оно для того и существует, чтобы давить и выдавливать, а не всасывать и притягивать! Доказательством тому опыты Костюшко [6].

Теперь о поляризации. Объекты микро и нано размеров в щелочной, кислотной и даже в нейтральной среде превратиться в разнополярный диполь не смогут ввиду невозможности накопить противоположные заряды на разных частях, как показано на рисунке 2. Из-за микроскопических размеров частицы все заряды, если таковые возникнут, будут тут же замкнуты между собой. Поэтому никаких электростатических сил со стороны лазерного луча по отношению к частицам не возникает.

лазерный пинцет поляризация

Рис. 2. (Взят из источника [7])

Что касается монополяризации и превращении частиц в диполи. Считаю, такое объяснение притяжения частиц в ловушку также не корректным, т.к. разбивается данное утверждение тем же самым опытом. Дело в том, что лазерные пинцеты могут перемещать по нескольку десятков частиц одновременно. Если частицы перед этим поляризуются, то они приобретают один и тот знак заряда. Как мы знаем, одноименные заряды отталкиваются, тогда как собрать вместе хотя бы две частицы, не говоря о десятке? Никак. Посмотрите внизу видео, где частицы собираются по несколько штук и они не поляризуются [8].

Некоторые авторы пытаются объяснить притяжение частиц, используя понятие диэлектрической постоянной среды, но натыкаются на необъяснимое поведение нейтральных частиц. Та же ситуация с показателем преломления среды. В данном случае данный показатель совершенно непричем, а причем – это вязкость среды. На частицы давление света не действует, на них действует притяжение источника энергии – фокус луча! Если сила тяготения превышает сопротивление среды, то частица двинется в направлении фокуса луча.

Фотонно-квантовая гравитация и лазерный пинцет

Работу лазерного (оптического) пинцета может корректно объяснить гипотеза «Фотонно-квантовой гравитации» [9]. Наночастицы притягиваются в фокус лазерного луча, именно притягиваются! за счет того, что в фокусе наибольшая температура (энергия) (рис. 3). Теплота порождает гравитацию. Для наночастиц фокус лазерного луча – это то самое Солнце, что для планет настоящее Солнце. Только теплые тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля, имеют электромагнитное излучение, а значит, имеют возможность притягивать и притягиваться сами. И никакие градиентные силы из механики Ньютона с давлением света тут не присутствуют.

Лазерный_пинцет

Рис. 3

1 – лазерный луч, 2 – фокус, 3 – частицы, 4 – зона притяжения

Несмотря на то, что частица может и не находиться в луче лазера, она будет двигаться к фокусу, если она находится на близком расстоянии от него (в зоне притяжения), где сила гравитации превышает сопротивление среды. Притяжение происходит следующим образом. Поскольку в фокусе вещество нагревается, то количество крафонов (вторичных красных фотонов), вылетающих из данного пятна гораздо больше, чем в окружающем пространстве. Каждый крафон, попадая в ту или иную частицу, взаимодействует с тем или иным атомом, заставляя его импульсно притянуться и возбудиться. Атом избавляется от полученного кванта энергии, испуская свой крафон, после чего получает импульс придачи, направленный в область наименьшей энергии, преимущественно перпендикулярно лазерному лучу и в этом же направлении начинает движение. Но далеко улететь ему не удается, так как тут же получает новый крафон, который своим импульсом вновь подтягивает частицу к фокусу. Сумма этих импульсов создает силу, вынуждающую частицу переместиться в фокус лазерного луча, где и возникает для нее оптическая ловушка.

А теперь разберемся с вопросом, почему расходится, расфокусируется лазерный луч? Это происходит потому, что на атомах окружающего вещества возникает рассеивание (поглощение) энергии. Интенсивность лазерного пучка плавно спадает к краям. Закон изменения интенсивности соответствует так называемому нормальному, или гауссовскому, распределению, которому подчиняются все природные процессы. На периферии луча идет постоянный захват энергии окружающим веществом и луч слабеет, в результате часть энергии из центра луча устремляется к его краям, что и заставляет луч расширяться в диаметре. Можно сказать иначе, фотоны света, проходящие через вещество, притягиваются им, поглощаются, трансформируются в красное и инфракрасное электромагнитное излучение, т.е. в теплоту. Атомы вещества, получившие энергию, отстреливают свои красные фотоны (крафоны) в область наименьшей температуры, т.е. перпендикулярно лучу. Поэтому световой луч расширяется (рассеивается).

Если была бы отдача, а не придача, то лазерный луч должен сходиться, по крайней мере, он бы не расходился. Данная проблема будет освещена более детально в следующей статье о лазерном охлаждении.

Должен отметить, что это не все частицы, поведение которых объясняется разными способами, есть еще воздушные пузырьки, плавающие в глицерине, которые не хотят подчиняться никаким законам и стремятся убежать из области фокуса. Как быть с такими объектами?

В этом случае вводится термин: «исключение из правил». Предполагается, что полая сфера имеет меньший показатель преломления, чем среда, поэтому выталкивается из областей с высокой интенсивностью света. Данное объяснение также не корректно по причине того, что выталкивающая сила не является следствием преломления луча. Т.е. такое объяснение нас приводит опять к давлению света, но его в природе не существует. На самом деле пузырек убегает по двум причинам: он менее инерционен, чем частица и он быстрее насыщается энергией.

Если лазерный луч проходит рядом с таким пузырьком, то за счет энергии рассеяния данного луча, он становится более энергонасыщенный по сравнению с соседними областями вещества. В пузырьке находится газ, сосредоточенный в определенном объеме, молекулы и атомы которого поглощают кванты света. После насыщения энергией каждый атом стремится избавиться от лишней энергии, с помощью отстрела крафонов. Превалиющие векторы крафонов направлены в сторону наименьшей температуры, т.е. в сторону от луча лазера. Необходимо помнить, что отстрел каждого крафона происходит с импульсом придачи, в направлении его вектора, в результате возникает градиентный вектор в перпендикулярном направлении от луча лазера. Энтропия растет и никаких исключений из правил не возникает. Природа исключений не допускает, их допускает только человек, когда не может приспособить свои правила под закономерности явлений, происходящие в действительности.

А почему Артур Ашкин и другие исследователи использовали лазеры, излучающие в инфракрасном диапазоне? Если учесть, что в световом лазере больше энергии, то и эффект должен быть выше. В данном случае объяснение опять довольно простое и без фотонно-квантовой гравитации не обойтись. Как известно из физики свет хорошо поглощается черным веществом, а нано частицы в исследованиях, как правило, имеют серый оттенок вплоть до прозрачных. Такие объекты плохо поглощают свет, но зато хорошо поглощают инфракрасное излучение. Для того чтобы частица притянулась в фокус лазерного луча, ее необходимо энергетически подпитать. Поскольку объем частицы очень маленький, она тут же теряет эту энергию, поэтому для обмена гравитационными волнами, ее приходится постоянно накачивать энергией. Для этой цели в лазерных пинцетах лучше подходит источник, работающий в инфракрасном диапазоне. Иначе, лазерное излучение должно быть определенной длины волны или частоты, попадающее в резонанс с собственными колебаниями электронов атомов данных частиц. В противном случае фотоны не будут поглощаться атомами, а значит, частица не получит гравитационных импульсов притяжения.

Лазерный пинцет – уникальное изобретение человека, в очередной раз подтверждает, что природа действует по закону Всемирного тяготения. Все электромагнитные волны являются переносчиками гравитационного взаимодействия, лазерный пинцет тому подтверждение.

Приведу еще одно доказательство не в пользу признанной теории. Если говорить о градиентной силе, возникающей якобы от преломления лазерного луча, то как объяснить затягивание в фокус объектов несферической формы, например, пленение нанопроволок GaN [10]. При захвате нанопроволок их ось ориентируется по оси лазерного пучка. Объяснить поведение нанопроволок поляризацией также не получится, т.к., во-первых, проволока не диэлектрик, а во-вторых, проволока в этом случае должна располагаться перпендикулярно оси лазерного луча, в силу того, что поляризационная поверхность находятся не на торцах, а по всей длине нанообъекта.

Что делать с кусочками нанопроволоки, вводить новые «исключения из правил»? Но как мы выяснили ранее, в природе нет исключений, там все включено! Поэтому объяснение должно быть закономерным во всех случаях и в этом вновь поможет «фотонно-квантовая гравитация». Расположение таких частиц по центру луча и в его фокусе создается той же самой силой притяжения к более горячему веществу, т.е. к центру луча, где температура будет всегда выше, чем на периферии. Ннанопроволока вытягивается вдоль лазерного луча гравитационной силой.

В заключение сделаю еще несколько ссылок на одну статью. [11].Автор пишет: «Ситуация кардинально изменилась осенью 2011 года, когда движение объектов навстречу лазерному лучу впервые достоверно наблюдалось в условиях лаборатории».

«Группа физиков из университета Фудань в Шанхае при участии своих коллег из университета науки и технологии в Гонконге опубликовала в журнале Nature Photonics результаты необычного опыта. Цзюнь Чэнь и Чжифан Линь использовали два лазерных излучателя. Создаваемое ими поле электромагнитного излучения приближалось по характеристикам к лучу Бесселя – гипотетической модели, в которой отсутствует рассеивание. Характер рассеивания светового пучка на микрочастицах изменился таким образом, что общий вектор силы двигал их уже навстречу источнику излучения, заставляя перепрыгивать между зонами максимумов».

«Дэвид Раффнер (David Ruffner) и Дэвид Гриер (David Grier) в конце 2012 года создали аналогичное устройство. Во время испытаний им удавалось захватить микросферы диоксида кремния из взвеси частиц в воде. В отличие от простого оптического пинцета, частицы перемещались навстречу источнику в пределах 30 микрометров».

Надеюсь, данная статья поможет исследователям разобраться в причинах движения микрочастиц навстречу лазерному лучу и захвате их в фокусе, а также правильно понимать действие данного механизма.

 

Источники

 

  1. Ashkin A. Forces of a single-beam gradient laser trap on a dielectric sphere in the ray optics regime // Biophys. J. 1992. Vol. 61. Р. 569–582
  2. Энциклопедический словарь нанотехнологий, оптический пинцет, http://dic.academic.ru/dic.nsf/nanotechnology/
  3. WikipediA, Optical tweezers, https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers
  4. Ахманов С. А., Никитин С. Ю. Физическая оптика. — Москва: Наука, 2004
  5. Петров М., Российские учёные сделали оптический пинцет для микрообъектов, http://www.ecolife.ru/blogs/?p=453
  6. Кишкинцев В.А., Явление притяжения вещества световыми лучами, открытое экспериментально В.Е. Костюшко, Доклады русскому физическому обществу, 2012, Ч.3, М. http://www.rusphysics.ru/files/Kischkincev.Yavleniye.pdf
  7. Богданов К.Ю., Что могут нанотехноологии, http://kbogdanov5.narod.ru/6.htm
  8. Белкин А., http://www.youtube.com/watch?v=r8KX6eAWnBw
  9. Ершов Г.Д., Гравитация Земли Фотонно-квантовая гравитация, THE SCIENTIFIC HERITAGE» №5, с. 89-94 / http://tsh-journal.com/wp-content/uploads/2016/11/VOL-1-No-5-5-2016.pdf
  10. Клюев П.Г., Оптическое манипулирование микро- и наночастицами, http://www.nanometer.ru/2011/04/02/13017353753663_258039.html
  11. Васильков А., Захват объектов лучом лазера – от фантастики до действующих приборов, Компьютерра, http://www.computerra.ru/51468/zahvat-obektov-lazernyim-luchom-ot-fan/

 

Назад  Вперед

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *


Ваш комментарий на модерации.