Луч захвата стал реальностью – Учёные создали портативный оптический пинцет

Каждый поклонник научной фантастики знаком с концепцией притягивающего луча захвата. Достаточно представить зависший над городом космический корабль, испускающий световой луч, внутри которого к кораблю транспортируются объекты или люди. Хотя существование внеземных цивилизаций во Вселенной пока научно не доказано, теоретически, как выясняется, такой притягивающий луч может быть реализован.

Захват и перемещение объектов силой света

Манипулирование объектами различного масштаба с помощью энергии – активная область исследований. Учёные уже работают над решениями, чтобы с помощью лазерного луча можно было удалять космический мусор с околоземной орбиты.

Но, потенциальных применений такой технологии гораздо больше, причём в самых разных масштабах. С одной стороны, мы имеем дело с манипулированием объектами, движущимися над нашими головами на высоте, с другой – учёные исследуют возможность манипулирования отдельными клетками и даже атомами внутри человеческого организма.

Во втором случае обычно используются так называемые оптические пинцеты. Такие устройства используют сфокусированные, коллимированные световые пучки для невероятно точного маневрирования в микроскопическом масштабе.

Хотя пинцетом захватываются действительно малые объекты, оборудование, применяемое для этого, имеет внушительные размеры, что делает его крайне неудобным, дорогостоящим и ограниченным лабораториями.

Учёные из MIT разработали поистине революционное устройство: компактный прибор с притягивающим лучом (tractor beam), который буквально помещается в ладони. Благодаря компактным размерам устройство значительно расширит спектр применений и объектов для исследования. Новая разработка подробно описана в научном журнале Nature Communications.

Устройства на основе чипов, несмотря на небольшие размеры, обычно имеют один недостаток: они позволяют манипулировать атомами, находящимися только в непосредственной близости от чипа. Это не только существенно затрудняет практическое применение, но и создаёт риск повреждения самого чипа или исследуемых биологических материалов.

В своём новейшем аппарате учёные применили оптическую фазовую матрицу, использующую микроантенны для точного управления световыми пучками. Результат? Теперь возможно манипулирование объектами на расстояниях, в 100 раз превышающих предыдущие показатели.

Хотя это по-прежнему небольшие расстояния, такой скачок может произвести революцию в исследовании биологических материалов. Ведь оптические пинцеты работают путём захвата и перемещения мельчайших частиц в сфокусированных световых пучках.

Учёные могут управлять этими пучками с высокой точностью, что обеспечивает прецизионный контроль над микроскопическими объектами. В исследованиях биологических материалов возможность манипулирования стерильными образцами имеет ключевое значение, поскольку они часто защищены стеклом толщиной около 150 микрон.

Расширение диапазона контроля за пределы миллиметра – достигнутое благодаря инновации MIT – меняет правила, предлагая значительное увеличение возможностей при одновременном снижении риска повреждения исследуемого материала.

Ключевым компонентом описанного в статье устройства с лучом захвата является интегрированная оптическая фазовая матрица. Каждая крошечная антенна в матрице может независимо управлять световым лучом, излучаемым чипом.

Команда также разработала новый фазовый дизайн для антенн, благодаря чему устройство может осуществлять оптический захват и манипуляции на беспрецедентных расстояниях от поверхности чипа. Этот прогресс не только улучшает функциональность оптических пинцетов, но и расширяет спектр их применения в исследованиях и за их пределами.