ΟΠΤΙΚΕΣ ΛΑΒΙΔΕΣ Τα εργαλεία του μικρόκοσμου

ΟΠΤΙΚΕΣ ΛΑΒΙΔΕΣ

Τα εργαλεία του μικρόκοσμου

Τα αρχικά του Εθνικού Ιδρύματος Μέτρων και Σταθμών των ΗΠΑ φτιαγμένα από σφαιρίδια καουτσούκ διαμέτρου περίπου πέντε εκατομμυριοστών του μέτρου και τοποθετημένα με χρήση οπτικών λαβίδων

Με τον όρο «λαβίδα» εννοούμε συνήθως ένα όργανο ή εργαλείο το οποίο μας βοηθάει να χειριζόμαστε πράγματα τα οποία δεν είναι δυνατόν, για διάφορους λόγους, να τα αγγίξουμε με γυμνό χέρι. Πολλές φορές ο χειρισμός των λαβίδων απαιτεί ιδιαίτερα λεπτές κινήσεις και αυξημένη επιδεξιότητα, γιατί είναι πιθανόν να ελλοχεύουν διάφοροι κίνδυνοι. Κλασικό παράδειγμα η περίπτωση της χειρουργικής ιατρικής, όπου οι γιατροί έρχονται - μέσω των λαβίδων - σε επαφή με πολύ ευαίσθητα όργανα. Ολα όμως τα παραδείγματα χρήσης λαβίδων, σε τελική ανάλυση, αφορούν στο χειρισμό αντικειμένων της καθημερινής μας ζωής ή, όπως επιστημονικά αποκαλούμε, του μακρόκοσμου. Στις μέρες μας αναπτύσσονται τεχνικές οι οποίες μας δίνουν τη δυνατότητα κατασκευής λαβίδων για το μικρόκοσμο, μηχανισμών δηλαδή με τη βοήθεια των οποίων μπορούμε και χειριζόμαστε την κίνηση και τη θέση μικροσωματιδίων. Η λειτουργία τους βασίζεται στην αλληλεπίδραση φωτός λέιζερ με μικροσωμάτια (με διαστάσεις από μερικά χιλιοστά έως και μερικά εκατομμυριοστά του μέτρου), γι' αυτό και είναι γνωστές στη διεθνή βιβλιογραφία με τον όρο οπτικές λαβίδες (optical tweezers).

Η πίεση του φωτός

Οι οπτικές λαβίδες έλκουν την καταγωγή τους από ένα ιστορικό πείραμα, το οποίο πραγματοποιήθηκε το 1970 από τον Αμερικανό ερευνητή Α. Ασκιν στα Εργαστήρια Μπελ (Bell Labs) στις ΗΠΑ. Η αιτία η οποία οδήγησε τον Ασκιν στην ανακάλυψή του ήταν απλά και μόνο η περιέργεια για ένα αποτέλεσμα που είχε ανακοινώσει ένας διδακτορικός φοιτητής σε ένα συνέδριο. Στο πείραμα αυτό έγινε εφικτή η μετακίνηση μικροσκοπικών σφαιριδίων από καουτσούκ (με διαστάσεις γύρω στα είκοσι δισεκατομμυριοστά του μέτρου), τα οποία βομβαρδίζονται από μια δέσμη φωτός λέιζερ. Η δύναμη από τη δέσμη λέιζερ εξισορρόπησε την επίδραση της βαρύτητας πάνω στα σωμάτια (οπτική ανύψωση). Η οπτική λαβίδα εφευρέθηκε το 1980 από τον ίδιο ερευνητή και τον Σ. Τσου (Νόμπελ Φυσικής 1997), όταν κατόρθωσε να μετακινήσει και ταυτόχρονα να παγιδεύσει σε μια μικρή περιοχή μικρά διηλεκτρικά σφαιρίδια. Στα σημερινά πειράματα, για να μπορούμε να γλιτώνουμε από την επίδραση του βάρους, χρησιμοποιούμε υγρά (π.χ. νερό) μέσα στα οποία τα σωμάτια αιωρούνται λόγω της επίδρασης της άνωσης.

Ο μηχανισμός των οπτικών λαβίδων βασίζεται στη χρήση μιας καλά εστιασμένης δέσμης λέιζερ, με την οποία επιτυγχάνουμε την παγίδευση και το χειρισμό σωματιδίων με διαστάσεις από εκατό δισεκατομμυριοστά έως εκατό χιλιοστά του μέτρου. Αρχικά οι οπτικές λαβίδες βρήκαν την εφαρμογή τους σε διαφανή διηλεκτρικά σωμάτια, τα οποία πρέπει να έχουν δείκτη διάθλασης μεγαλύτερο από αυτό του μέσου στο οποίο είναι εμβαπτισμένα. Σήμερα είναι δυνατή και η χρήση οπτικών λαβίδων για αδιαφανή (ανακλαστικά) σωματίδια με τη χρήση ειδικών δεσμών λέιζερ Γκάους - Λαγκέρ. Είναι αξιοσημείωτο το γεγονός ότι η ίδια δέσμη λέιζερ που χρησιμοποιούμε για την παγίδευση των σωματιδίων εισάγεται ταυτόχρονα σε ένα συμβατικό οπτικό μικροσκόπιο, με αποτέλεσμα να μπορούμε να παρατηρούμε την κίνηση των σωματιδίων μέσα στο υγρό. Θα πρέπει να τονίσουμε ότι οι οπτικές λαβίδες λειτουργούν με οποιοδήποτε μήκος κύματος, δοθέντος ότι το σωμάτιο είναι διαφανές στην ακτινοβολία, κάτι που δεν ισχύει για την παγίδευση ατόμων, όπου η συχνότητα του λέιζερ πρέπει να είναι κατάλληλα επιλεγμένη.

Πολύμορφες εφαρμογές στη βιολογία...

Οι οπτικές λαβίδες έχουν μεγάλες βιολογικές εφαρμογές που αφορούν στην παγίδευση, κίνηση και τοποθέτηση μιας μεγάλης ποικιλίας μεμονωμένων κυττάρων και υποκυτταρικών σωματιδίων. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στην εκλογή του μήκους κύματος της ακτινοβολίας λέιζερ, γιατί είναι δυνατόν να υποστούν καταστροφές οι έμβιοι αυτοί οργανισμοί. Η εφαρμογή των οπτικών λαβίδων στην κυτταρική βιολογία είναι εφικτή γιατί τα περισσότερα κύτταρα, παράσιτα και άλλοι μικροοργανισμοί, είναι διαφανή στις ακτινοβολίες του ορατού φάσματος. Αξίζει να αναφερθούμε σε πειράματα στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, όπου έχουν χρησιμοποιηθεί οπτικές λαβίδες για τη μέτρηση της ελαστικότητας της ουράς βακτηρίων! Στο Βασιλικό Κολέγιο του Πανεπιστημίου του Λονδίνου έχουν χρησιμοποιηθεί για να μετρηθούν οι δυνάμεις που παράγονται από μεμονωμένες μυϊκές ίνες. Στη Γλασκώβη έχουν γίνει προσπάθειες χρήσης οπτικών λαβίδων για μελέτη και απομόνωση παρασίτων στο νερό. Στην Γκρενόμπλ γίνεται προσπάθεια για χειρισμό μαγνητικών σωματιδίων, ενώ στο Πρίνσετον μετρούνται οι ελαστικές ιδιότητες των ελίκων του DNA. Τέλος στο Πολυτεχνείο του Γουόρσεστερ στη Μασαχουσέτη έκοψαν με τη βοήθεια λέιζερ ένα κύτταρο και στη συνέχεια με τη βοήθεια μιας λαβίδας εμφύτευσαν ένα απλό βακτήριο μέσα στο κύτταρο.

... και τη νανοτεχνολογία

Πέρα από τη βιολογία, θα άξιζε να αναφέρουμε ότι με τη χρήση οπτικών λαβίδων έχει επιτευχθεί να τεθεί σε κίνηση ένα «κιβώτιο ταχυτήτων», αποτελούμενο από δύο τροχούς φτιαγμένους μόλις από ένα δισεκατομμύριο μόρια, όπου με τη χρήση μικροσκοπικών συρμάτων από κεραμικά υλικά, τα οποία παίζουν το ρόλο ιμάντα, γίνεται η προσπάθεια κατασκευής μηχανών σε μοριακές διαστάσεις! Τα πειράματα αυτά εξελίσσονται στο Πανεπιστήμιο Κορνέλ (ΗΠΑ).

Κλείνοντας αυτό το σημείωμα, αξίζει να αναφέρουμε ότι το 1994 στο Πανεπιστήμιο του Σεν Αντριους (Σκοτία) επιτεύχθηκαν οπτικές λαβίδες οι οποίες ταυτόχρονα με την παγίδευση πετυχαίνουν και την περιστροφή ενός σωματιδίου. Αυτό επιτεύχθηκε με χρήση δεσμών λέιζερ Γκάους - Λαγκέρ, οι οποίες χαρακτηρίζονται από ελικοειδή μέτωπα κύματος και μηδενική ένταση κατά μήκος του άξονα της δέσμης, ώστε η διατομή τους να έχει σχήμα δαχτυλιδιού ή όπως λέγονται στη διεθνή βιβλιογραφία ντόνατς (λουκουμάς). Το φαινόμενο αυτό παρατηρήθηκε σε μικρές σφαίρες από γυαλί και τεφλόν εμβαπτισμένες σε νερό ή αλκοολικό διάλυμα. Το πλεονέκτημα αυτών των δεσμών είναι ότι μπορούν να δουλεύουν με χαμηλή ισχύ και συνεπώς δεν κινδυνεύουν οι μικροοργανισμοί από καταστροφή.

Βασίλης ΛΕΜΠΕΣΗΣ
Δρ. Θεωρητικής Φυσικής

    

Η φυσική του καράτε

Ενας ειδικός του ταε κβο ντο (μαύρη ζώνη, 4 νταν) σπάει 3 σανίδες με ένα ιπτάμενο χτύπημα. Χρησιμοποιώντας στροβοσκόπιο οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι χτυπήματα σαν αυτό ασκούν εξαιρετικά μεγάλες δυνάμεις στο στόχο

Πολλοί βλέποντας μια επίδειξη καράτε που περιλαμβάνει σπάσιμο μιας ή περισσότερων σανίδων, τσιμεντένιων πλακών κλπ. θεωρούν ότι πρόκειται για τρικ, για στημένο κόλπο. Οσο κι αν φαντάζουν (και είναι) απρόσιτα για τον καθημερινό άνθρωπο τέτοια κατορθώματα, είναι εφικτά και με το παραπάνω για έναν εκπαιδευμένο αθλητή. Χρειάζεται μόνο εκπληκτική ταχύτητα, σωστή κίνηση του σώματος και μερικές χιλιάδες νιούτον (μονάδα δύναμης).

Οπως λέει ο Μάικλ Φελντ, φυσικός στο ΜΙΤ των ΗΠΑ, πρόκειται «για μια από τις πιο αποτελεσματικές σωματικές κινήσεις που συνέλαβε ποτέ ο άνθρωπος. Μελετώντας τη δε βρήκαμε τίποτα που θα μπορούσε να τη βελτιώσει». Ο Φελντ και ο Μακνέρ (φυσικός - αστροναύτης που σκοτώθηκε στην καταστροφή του «Τσάλεντζερ») ασχολούνταν και οι δύο με τις πολεμικές τέχνες. Σύμφωνα με τα ευρήματά τους οι αρχάριοι του καράτε και του ταε κβο ντο μπορούν να δώσουν ένα χτύπημα με ταχύτητα που δεν ξεπερνά τα 7 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Το χτύπημα αυτό είναι αρκετό για να σπάσει μια σανίδια πάχους 2,5 εκατοστών. Αντίθετα όσοι έχουν μαύρη ζώνη μπορούν να χτυπήσουν με τη διπλάσια ταχύτητα. Αυτό σημαίνει ότι ένα μέσου βάρους χέρι μπορεί να ασκήσει δύναμη 2.800 νιούτον (ένα νιούτον είναι περίπου ίσο με το βάρος ενός μήλου). Το σπάσιμο μιας τσιμεντόπλακας 3,5 εκατοστών απαιτεί μόλις 1.900 νιούτον.

Φυσικά και οι πυγμάχοι μπορούν να χτυπήσουν με την ταχύτητα και τη δύναμη των προχωρημένων αθλητών των πολεμικών τεχνών. Γιατί λοιπόν δε σπάει το κρανίο των συναθλητών τους που δέχονται τα χτυπήματα; Γιατί το χτύπημα του πυγμάχου έχει διάρκεια. Η γροθιά «μένει» πάνω στον αντίπαλο και έτσι η δύναμη που εξασκεί ασκείται σε αρκετά μεγάλη επιφάνεια, με αποτέλεσμα να ζαλίζει, αλλά όχι να σπάει. Αντίθετα, το χτύπημα καράτε είναι σαν το χτύπημα της κόμπρας, το χέρι ή το πόδι εκτινάσσεται, χτυπά το στόχο και επιστρέφει αμέσως. Το χέρι ενός κατόχου μαύρης ζώνης μένει πάνω στη σανίδα λιγότερο από 5 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Σκοπός είναι να μεταδώσει σχεδόν ακαριαία όλη την κινητική ενέργεια που φέρει σε όσο μικρότερη περιοχή, ώστε το αντικείμενο να περάσει το όριο της ελαστικής του αντοχής και να σπάσει.

Και πώς δε σπάνε τα κόκαλα των αθλητών πολεμικών τεχνών; Ευτυχώς, τα κόκαλα έχουν εκπληκτική αντοχή: 2.000 φορές μεγαλύτερη από αυτή μιας τσιμεντόπλακας! Ο Φελντ, αν και κάποτε έφτασε να σπάσει 8 σανίδες των 2,5 εκατοστών με ένα χτύπημα δεν έχει σπάσει ποτέ ούτε ένα δαχτυλάκι. Βέβαια, εδώ υπάρχουν μερικές προϋποθέσεις. Η μακρόχρονη εξάσκηση σκληραίνει το άκρο του χεριού δημιουργώντας κάλο, που λειτουργεί σαν προφυλακτήρας αυτοκινήτου. Επίσης, όσοι κάνουν επίδειξη πολεμικών τεχνών επιλέγουν τα αντικείμενα που θα σπάσουν, βάζοντας για παράδειγμα τις σανίδες με τις ραβδώσεις να είναι παράλληλες προς το χτύπημα και προτιμώντας τις τσιμεντόπλακες από τα τούβλα.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Discover»