什么是組織鑷光鑷子？

1960年，激光的發(fā)明使人們對(duì)光的利用進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。有了新的高亮度光源——激光，光功率可以大大提高，開始顯示出強(qiáng)大的生命力。此后，人們對(duì)光能及其相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究。那么，什么是組織鑷光鑷子？

什么是組織鑷光鑷子？

組織鑷在英國(guó)雜志《自然》的文章《2020遠(yuǎn)景》中，激光技術(shù)被認(rèn)為是未來(lái)十年有巨大前景的18個(gè)領(lǐng)域之一。斯坦福大學(xué)光子研究中心的托馬斯巴爾(Thomas Barr)和羅切斯特大學(xué)物理系的尼古拉斯畢格羅(Nicholas Bigelow)共同撰文指出，到2020年，激光輸出光斑將小到一納米，激光輸出脈沖將比通過一個(gè)原子所需的時(shí)間還要短。這意味著高精度、高準(zhǔn)確度的激光微操作變得更加現(xiàn)實(shí)。

組織鑷“光鑷”不是一個(gè)實(shí)體，而是一種技術(shù)，通過激光來(lái)操作。眾所周知，激光具有強(qiáng)度高、單色性好的優(yōu)點(diǎn)。二十多年前，人們發(fā)現(xiàn)激光束在物質(zhì)中傳播時(shí)，如果有些光線不是平行的，而是逐漸聚集或逐漸散開，就會(huì)對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生“梯度力”效應(yīng)。此外，我們還知道光從一種物質(zhì)傳到另一種物質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生折射。如果把一個(gè)直徑小于1微米的聚苯乙烯制成的小球放在某種液體中，光從溶液進(jìn)入球內(nèi)時(shí)會(huì)發(fā)生折射，折射角小于入射角。讓一束穿過聚焦透鏡的激光束穿過溶液，進(jìn)入球內(nèi)。這種光束先在球內(nèi)會(huì)聚，然后發(fā)散射出球。當(dāng)光線聚集和擴(kuò)散時(shí)，梯度力作用在球上。只要球的中心偏離鏡頭焦點(diǎn)，球上的總梯度力就不等于零，始終指向焦點(diǎn)。這樣球就會(huì)移動(dòng)到鏡頭的焦點(diǎn)，激光通過梯度力把球牢牢“夾”住。人們嘗試將球粘在待研究的生物分子上，用“光鑷”將球“夾住”，同時(shí)帶動(dòng)生物分子對(duì)其進(jìn)行研究。

使用光驅(qū)動(dòng)星際旅行可能需要耐心等待，但使用它來(lái)移動(dòng)很微小的物體在當(dāng)今的科學(xué)研究中已經(jīng)司空見慣?，F(xiàn)任美國(guó)能源部長(zhǎng)、勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任朱和他的同事們于1985年左右在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了用激光冷卻和俘獲原子的方法。他們利用了光能的原理，他們的成果后來(lái)獲得了1997年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

與此同時(shí)，人們開始探索光對(duì)生物粒子和半導(dǎo)體粒子的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。1986年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家亞瑟阿斯金(Arthur Askin)用強(qiáng)會(huì)聚激光束成功捕獲了三維介質(zhì)粒子。這項(xiàng)發(fā)明被形象地稱為組織鑷光鑷，成為這個(gè)尺度范圍內(nèi)粒子的獨(dú)特操控和研究手段?！肮忤嚒庇泻芏嘤猛?。起初，物理學(xué)用它來(lái)操縱電介質(zhì)粒子，甚至單個(gè)原子，以便研究它們的特性?，F(xiàn)在，“光鑷”受到生物學(xué)家的青睞，在跨世紀(jì)的新興學(xué)科中大顯身手?？茖W(xué)家用光鑷按住一個(gè)細(xì)胞，用激光刀切開細(xì)胞膜，然后用另一個(gè)光鑷把其他細(xì)胞的細(xì)胞器放入該細(xì)胞，從而人為改變?cè)摷?xì)胞的生物特性。也有人利用“雙鑷”技術(shù)，準(zhǔn)確測(cè)量單個(gè)肌肉蛋白質(zhì)分子“行走”的“步數(shù)”及其所能產(chǎn)生的力，為研究動(dòng)物肌肉活動(dòng)的機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。組織鑷光鑷已經(jīng)成為細(xì)胞生物學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)工具，其應(yīng)用前景將越來(lái)越廣闊。光功率(簡(jiǎn)稱“光功率”)現(xiàn)象早就被人們注意到了。當(dāng)彗星從太陽(yáng)系的遠(yuǎn)邊緣運(yùn)行到靠近太陽(yáng)的位置時(shí)，它的尾巴就會(huì)出現(xiàn)。彗星的尾巴是光子撞擊彗星物質(zhì)造成的。

組織鑷光線通常很弱，典型的光功率在“皮?！绷考?jí)，大約是我們?cè)诎徇\(yùn)一公斤蘋果時(shí)感受到的重量的十億分之一。但這并沒有影響人們對(duì)以光為動(dòng)力旅行的幻想。近年來(lái)，美國(guó)、德國(guó)和日本都試圖將“太陽(yáng)帆”衛(wèi)星發(fā)到近地軌道。2005年，美國(guó)行星協(xié)會(huì)在俄羅斯火箭的幫助下發(fā)了宇宙1號(hào)衛(wèi)星，但火箭在發(fā)射過程中失敗。2008年，美國(guó)宇航局部署了一個(gè)名為“納米帆-D”的新項(xiàng)目?！癗ano-sail-D”是一顆微型衛(wèi)星，僅比一片面包略大。它只攜帶幾塊電池給收音機(jī)和電腦供電，沒有其他能源。它攜帶的太陽(yáng)帆展開時(shí)有100平方英尺，比紙還薄，表面鍍了鋁。按照計(jì)劃，太陽(yáng)帆將在衛(wèi)星進(jìn)入軌道三天后打開。