جهاز يقوم بتحريك الأجسام باستخدام شعاع ضوئي

لقد وجد الباحثون طريقة تتيح استخدام شعاع كامل من ضوء الليزر للتحكم في الأجسام الصغيرة جدًا وتحريكها، على سبيل المثال الخلايا الفردية داخل جسم الإنسان أو الجزيئات الصغيرة داخل أنابيب الاختبار الكيميائية أو داخل أجهزة الرقائق 

[ترجمة د.نحماني موشيه]

 

عندما نسلط شعاعًا من الضوء على أيدينا، لا نشعر بأي شيء، باستثناء شعور بسيط بالدفء الناتج عن الشعاع. عندما يتم تسليط نفس الشعاع نحو بُعد يُقاس بمقياس النانو أو الميكروميتر، يصبح هذا الشعاع قويًا بشكل خاص ويسمح بتحريك الأشياء المحاصرة داخله.

اكتشف باحثون من كلية الفيزياء بجامعة ووترسراند (جوهانسبرج، جنوب أفريقيا) طريقة تتيح استخدام شعاع كامل من ضوء الليزر للتحكم في الأجسام الصغيرة للغاية وتحريكها، على سبيل المثال، الخلايا الفردية الموجودة بداخلها. جسم الإنسان، وجزيئات صغيرة داخل أنابيب الاختبار الكيميائي أو داخل أجهزة الرقائق. على الرغم من أن هذه الطريقة، المعروفة باسم الاصطياد البصري المجسم والملقط، ليست جديدة، فقد وجد الباحثون طريقة للاستفادة من المحتوى الكامل لشعاع الضوء - بما في ذلك الضوء المتجه الذي لم يكن من الممكن الوصول إليه سابقًا في هذا التطبيق. "كانت المصائد المجسمة السابقة مقتصرة على نوع معين من الضوء (الضوء العددي)، لذلك من المثير للغاية أننا تمكنا من اكتشاف جهاز شامل يستخدم جميع أنواع الضوء، بما في ذلك تكامل جميع أجهزة الملاءمة التي تم إنشاؤها في الماضي. وقال البروفيسور أندرو فوربس، رئيس فريق البحث. "لقد تمكنا من عرض أول نظام التقاط وتجميع بصري ثلاثي الأبعاد على الإطلاق في العالم. يسمح الجهاز بالتقاط الجزيئات الميكرومترية، مثل الخلايا البيولوجية، ونقلها بواسطة الضوء وحده." سيكون الجهاز النهائي قادرًا على التقاط عدة جزيئات في نفس الوقت وتحريكها باستخدام شعاع ضوئي. وقد نشرت نتائج البحث منذ فترة طويلة في المجلة العلمية تقارير علمية.

في أنظمة الالتقاط والتجميع البصرية التقليدية، يتم تركيز الضوء بشكل كبير ضمن حجم صغير يحتوي على جزيئات صغيرة، مثل الخلايا البيولوجية. على مثل هذا المقياس الصغير (عادة ميكرومتر أو نانومتر)، تكون القوى التي يمكن أن يولدها الضوء كبيرة في شدتها، بحيث يمكن التقاط الأجسام الصغيرة وتحريكها.

الفكرة وراء هذا المعيار منحت العالم الأمريكي آرثر أشكين جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2018. في الأصل، كان يتم التحكم في الضوء ميكانيكيًا عن طريق المرايا، ولكن تم تحسين الفكرة لاحقًا عن طريق تحريك الضوء بشكل ثلاثي الأبعاد، أي باستخدام الصور المجسمة المولدة بالكمبيوتر لتصويره. التحكم في الضوء دون استخدام أجزاء متحركة، مما يسمح بالتحكم الكامل في الجزيئات. حتى اليوم، لا يمكن استخدام سوى أنواع خاصة من أشعة الليزر، تسمى الأشعة العددية، في مثل هذه المصائد الثلاثية الأبعاد. "على وجه الخصوص، سيكون جهازنا قادرًا على العمل باستخدام أشعة الليزر العادية (العددية) وأيضًا مع حزم متجهة أكثر تعقيدًا. "تعد الحزم المتجهات موضعية للغاية وتستخدم في العديد من التطبيقات، ولكن حتى الآن لم يتم استخدام أي مصيدة ثلاثية الأبعاد للناقلات"، يوضح الباحث الرئيسي.

أظهر الباحثون كيف يتيح مصيدةهم الجديدة التحكم المجسم في كل من الحزم العددية والمتجهة في نفس الجهاز، وهي نتيجة تتقدم في طليعة هذا المجال مع تقديم جهاز مبتكر للمجتمع العلمي. وتتوقع المجموعة البحثية أن الجهاز الجديد يمكن أن يكون مفيدًا في التجارب ضمن التحكم في الأبعاد الدقيقة والنانومترية، بما في ذلك دراسات الخلية الواحدة في علم الأحياء والطب، وفي التفاعلات الكيميائية في حجم صغير، وكذلك في الفيزياء الأساسية في المستقبل. أجهزة المختبر على الرقاقة.

في المصيدة البصرية التقليدية، يتم تركيز الضوء بإحكام بحيث يكون قادرًا على ممارسة قوى على المادة. يتم التقاط المادة، على سبيل المثال، جسيم صغير، داخل شعاع الضوء. عندما يتم تحريك الضوء بواسطة المرايا أو البوابات الميكانيكية، فإن الجسيمات المحاصرة داخل الشعاع تكون كذلك. تسمى هذه العملية بالالتقاط البصري (التقاط الجسيم) والتجميع البصري، أي تحريك الجسيم كما لو كان باستخدام لاقط، ولكن في هذه الحالة لاقط مصنوع من الضوء. ومن أجل جعل التحكم أقل اعتماداً على الأجزاء الميكانيكية، يستخدم الباحثون الصور المجسمة للتحكم في الضوء. وبمساعدة معدّلات الضوء المكانية، يمكن ترميز أنماط الضوء المنظمة ويمكن نقل هذه الأنماط داخل المصيدة، بحيث يمكن احتجاز العديد من الجسيمات ونقلها في نفس اللحظة. فتحت هذه الفكرة نافذة أمام مجموعة من المجالات البحثية الرائعة الجديدة، لكن المصائد الضوئية المجسمة النهائية كانت مقتصرة على حزم ضوئية عددية فقط، فقط جزء صغير من الطيف بأكمله. أما الأنواع الأخرى من الحزم الضوئية، وهي أوضاع المتجهات، فقد اعتبرت غير مناسبة للتحكم المجسم. بمساعدة المتجه الجديد، أصبح من الممكن اليوم استخدام جميع أنواع الضوء.

المقال الذي يصف الدراسة

تتضمن الأخبار المتعلقة بالدراسة مقطع فيديو

17

يقوم أحد الباحثين بتنشيط شعاع الليزر كجزء من التجارب [بإذن من جامعة ويتس]