Světelný transport, třídění a samouspořádávání mikroobjektů "tažným" svazkem

21.1. 2013 Naši kolegové experimentálně demonstrovali světelný transport, třídění a samouspořádávání mikroobjektů "tažným" svazkem. Jejich článek o experimentálním potvrzení tohoto principu právě vyšel v nejnovějším čísle prestižního vědeckého časopisu Nature Photonics.

Kolegové Oto Brzobohatý, Martin Šiler, Vítězslav Karásek, Lukáš Chvátal, Tomáš Čižmár a Pavel Zemánek prezentovali elegantní experimentální uspořádání, které umožňuje táhnout mikroobjekty proti proudu fotonů (tzv. tažný nebo vlečný svazek v terminologii sci-fi seriálů Star Wars nebo Star Trek). Prozatím byli schopni transportovat objekty na vzdálenost přibližně 50 mikrometrů (tj. o tloušťku vlasu), což jistě neuspokojí vesmírné agentury, ale může potěšit milovníky mikro-sci-fi.

groupcizmar

Řešitelský tým, zleva doprava L. Chvátal, M. Šiler, P. Zemánek, O. Brzobohatý, V. Karásek. T. Čižmár je náš bývalý kolega a nyní působí na Universitě St. Andrews.

Již Johannes Kepler v 17. století předpovídal, že sluneční záření sebou strhává chvost komet, který pak míří směrem od Slunce.Tento tzv. radiační tlak urychluje prachové mikročástice ve směru šíření slunečních paprsků. Popsané silové působení je sice velmi slabé, ale protože jednotlivé světelné fotony k nám přilétají zdarma, již léta tento zdroj síly přitahuje pozornost autorů sci-fi a rovněž techniků. Bylo již učiněno několik pokusů (JAXA, Planetary Society, NASA) vynést na oběžnou dráhu sluneční plachetnici, rozvinout její "plachtoví" a zadarmo ji pohánět slunečními fotony.

Silové účinky světla v oblasti mikrosvěta až nanosvěta již mají bouřlivější historii. Více jak 30 let existují komerčně dostupné nástroje (tzv. optická pinzeta), které využívají silně fokusovaného laserového svazku k prostorovému zachycení nanoobjektů až mikroobjektů (včetně živých buněk či mikroorganismů) v blízkosti ohniska svazku. Takto zachycený objekt věrně sleduje změnu polohy ohniska svazku, což umožňuje bezkontaktní manipulaci i za průhlednými rozhraními (krycí či podložní sklo, buněčná membrána). Manipulace s více objekty lze dosáhnout vytvořením více ohnisek na různých místech vzorku, která mohou existovat současně (tzv. holografická optická pinzeta) nebo se postupně rychle přepínají v čase tak rychle, že objekt mezi přepnutími se nestačí vzdálit více, než je dosah svazku (ukázka např. zde).

Naši kolegové prezentovali geometrii, která kromě tlačení objektů ve směru proudu fotonů umožňuje jejich transport i proti proudu fotonů na vzdálenost desítek mikrometrů.

cover_mirror

Dopadající svazek je odražen na spodním zrcadle, interferuje s dopadajícím a vytváří systém interferenčních proužků, které jsou od sebe vzdáleny přibližně 200 nm a široké jsou 70-100 mikrometrů (zahraniční kolegové toto uspořádání trefně nazývají palačinkové optické pasti). Scéna je pozorována CCD kamerou přes spodní zrcadlo.Kolegové nově ukázali, že směr polarizace dopadajícího svazku rozhoduje o tom, zda objekt bude svazkem tažen (na obr. doleva), tlačen (doprava) či vychylován do stran (t.j. k nám či od nás). Mechanismus funguje i ve svazku, ve kterém je ve směru pohybu mikroobjektu neměnná intenzita záření. Směr síly působící na mikroobjekty v tažném paprsku je dán nejen polarizací dopadajícího světla, ale i velikostí a strukturou mikroobjektu. Díky tomu lze tažný paprsek využít ke třídění mikroobjeků podle velikosti, což také experimentálně ukázali. Prozatím se zaměřili na neživé mikroobjekty, ale živé buňky budou testovat v nejbližší době.

Delší dobu je pozorováno, že mikroobjekty ozářené světlem spolu interagují rozptýlenými fotony a vytváří vzájemně poutané útvary - tzv. opticky vázanou hmotu. Kolegové ukázali, že takové útvary vznikají i v geometrii tažného svazku a pohybují se výrazně rychleji proti proudu fotonů než jednotlivé volné objekty. To nabízí možné budoucí využití ve formě světlem poháněných mikrorobotů, které se sami poskládají po ozáření světlem a dopraví se do určité oblasti svazku.

Reportáže a novinové články:

Zahraniční média: