Манипуляторы для микромира

Незаметно для непосвященных в Самаре проводят эксперименты с миниатюрными объектами. В случае успеха они помогут совершить прорыв в клеточной биологии, генной инженерии и производстве миниатюрных роботов. Освоение фантастического мира нанотехнологий – одно из самых «модных» и перспективных направлений в научных исследованиях.

Приставка «нано-» означает одну миллиардную долю метра. Будущие нанотехнологии позволят создавать абсолютно любые объекты, манипулируя отдельными атомами вещества. Ожидается, что через несколько десятков лет нанороботы будут способны бороться с опасными вирусами внутри человеческого организма и смогут «ремонтировать» живые клетки. В пределе множество крошечных роботов, запущенных внутрь тела, смогут вернуть в состояние молодости даже очень пожилого человека.

Проблема – как научиться собирать мини-роботов и как заставить их двигаться. Насущная задача современной микро- и нанотехнологии – научиться аккуратно и «нежно» захватывать микрообъекты и перемещать их в нужном направлении. Тут приходится иметь дело с частицами микронных размеров или, например, хромосомами живой клетки, к которым нельзя прикасаться, чтобы не разрушить. Поэтому применяют «оптическую манипуляцию» – для захвата микрочастиц (например, клеток животных и растений, молекул ДНК, хромосом и т.п.) используются лазерные пучки различных конфигураций, так называемый лазерный пинцет.

Микрочастицы движутся в то место, где световой луч «сильнее». Когда лазерный пучок неоднороден, частица втягивается в область наибольшей интенсивности излучения – как шарик скатывается в низину. Перемещая фокус луча, возможно передвигать «пойманные» микрообъекты, заставить их совершать сложные движения. Можно даже выстраивать из них самые разнообразные конструкции. Под светом лазерного пучка частицы «играют», словно куклы на ниточках.

В последнее время были созданы еще более замечательные оптические инструменты. Применяя специально подобранные линзы (аксионы), экспериментаторы формируют лучи с заданными свойствами – так называемые Бесселевы пучки. Силы в них действуют вдоль луча (с определенной продольной периодичностью) или с вращением вокруг оси распространения. Захватывая микрочастицы, эти пучки способны передвигать их по линии или вращать.

В Самарском филиале Физического института Академии наук ученые-лазерщики проводят работу над исследованием воздействия лазера на микрочастицы. Они манипулируют с микрочастицами при помощи Бесселевых пучков 3-го порядка (чем выше порядок, тем больше закрутка пойманных частиц). В другом научном учреждении Самары – Институте систем обработки изображений (ИСОИ) РАН – группа под руководством доктора технических наук, члена-корреспондента РАН Виктора Сойфера использовала пучки Бесселя 5-го порядка. Лазерный луч в этих экспериментах закручивался в спираль при помощи специально сконструированных линз – дифракционно-оптических элементов (ДОЭ).

Используя всего один оптический элемент, сотрудники ИСОИ успешно захватывали, перемещали и вращали биологические микрообъекты (частицы дрожжей) диаметром 5–10 микрометров (миллионные доли метра) и полистирольные бусинки диаметром 5 мкм. Частица, захваченная в кольцевую область, вращалась вокруг оси пучка с периодом 8 секунд. Причем в отдельных экспериментах было достигнуто комбинированное движение – одновременно поступательное и вращательное. Такое пока мало кому удается в мире.

«Возможно, при помощи этих технологий будут работать приводы в миниатюрных двигателях и механизмах будущего, – считает старший научный сотрудник лаборатории лазерных измерений ИСОИ Роман Скиданов, – но нам еще предстоит найти способы уменьшить мощность излучения и улучшить стабилизацию частиц».

Исторически первенство в оптическом манипулировании атомами принадлежит отечественным ученым. Метод «микроуправления светом» был впервые применен отечественными физиками из Института спектроскопии АН СССР – в 1979 году ученые под руководством доктора физико-математических наук Владилена Летохова сумели затормозить атомы натрия с помощью пучка света. В 1986 году американские исследователи из знаменитого научного центра Bell Labs продемонстрировали действие так называемого «оптического пинцета». Принцип его действия основан на том, что при изменении направления светового потока, обладающего импульсом, возникает сила, сдвигающая частицу. А с конца 80-х годов прошлого века начались эксперименты с Бесселевыми пучками.