Laserstraal
laat microscopische molentjes draaien
Miniatuurversie van Star Treks ‘tractor beam’
- 04-05-2001
Schotse
wetenschappers zijn erin geslaagd microscopisch kleine voorwerpen
te doen draaien met een laserstraal. Dat maakt het heel wat makkelijker
om cellen en micromachines te manipuleren en zou er kunnen voor zorgen
dat heuse laboratoria binnenkort op een computerchip passen.
Het
onderzoek onder leiding van Kishan Dholakia van de Schotse St.
Andrews universiteit komt niet uit de lucht vallen. Al sinds de
jaren ‘70 proberen wetenschappers de kracht van het licht te gebruiken
om, vooral biologische, structuren te manipuleren. Medio jaren ‘80
begon deze aanpak vruchten af te werpen. Toen sloeg Arthur
Ashkin erin cellen van onder andere de E. coli bacterie - zowat
de meest bestudeerde ziekteverwekker - vast te houden en heen en weer
te bewegen in een laserstaal, zonder dat het organisme daaronder te
lijden had. Al ontploften er ook heel wat, omdat een te intense lichtstraal
werd gebruikt.
De technologie die hiervoor werd gebruikt, werd bekend als het ‘optisch
pincet' en is gebaseerd op de bijzondere eigenschappen van licht.
Wanneer een lichtstraal van richting veranderd of wordt geabsorbeerd
of weerkaatst, komen minuscule krachten - in de orde van enkele piconewton
- vrij. Het momentum van het licht wordt dus gewijzigd, waardoor ook
het momentum van het object waar het licht tegenaan botste veranderd.
Als dat object klein genoeg is, zal het in de richting bewegen van
de plaats in de lichtstraal waar deze het meest intens is.
Kishan Dholakia gebruikte twee lichtstralen in plaats van één en maakte
er een spiraal van door ze met elkaar te combineren. Dan werd op de
gebruikelijke manier een object in de straal gevangen. Als dat gelukt
was, werd het interferentiepatroon van de stralen gewijzigd, zodat
de lichtspiraal, en het object dat in één straal gevangen zit, gaat
draaien. Deze methode laat niet enkel toe het minuscule object te
draaien, maar stelt de onderzoekers in staat de mate en snelheid van
rotatie nauwkeurig te regelen.
Ook al ligt de vergelijking met de ‘Tractor
Beam’ uit Star Trek voor de hand, de kans dat binnenkort even
vlotjes met de Space Shuttle wordt gejongleerd als de Borg dat wel
eens met de USS Enterprise doen is eerder klein. De objecten die in
de proeven van het Schotse onderzoeksteam werden geroteerd - glazen
balletjes, een glazen stokje en een hamster-chromosoom - waren 1 micron
groot, 100 keer kleiner dan de breedte van een menselijke haar.
Toch zijn de toepassingen volgens het onderzoeksteam, dat haar prestatie
in het jongste nummer van Science
toelicht, schier eindeloos. Dholakia slaagt er naar eigen zeggen zelfs
niet in alle toekomstige domeinen waarin deze technologie opzien zal
baren te bedenken. In eerste instantie zullen echter vooral die projecten
die het optisch pincet gebruiken de vruchten van het Schotse onderzoek
plukken.
Zo wordt het optisch pincet nu gebruikt om DNA in stukjes te snijden
en te ordenen, of wordt het erfelijk materiaal uitgerokken om de mechanische
eigenschappen ervan te testen. De techniek werd ook al toegepast in
kunstmatige bevruchtingsmethodes en men sloeg erin optische pincetten
te gebruiken om anti-kankercellen vlakbij de tumor te brengen, zodat
de cellen het wat makkelijker hadden om de kankercellen te lijf te
gaan. In een andere medische toepassing hielpen optische pincetten
om neuronen de juiste richting te laten uitgroeien.
De toepassingen liggen overigens niet alleen in het medische veld.
Genen kunnen nauwkeuriger in cellen worden gebracht, en structuren
binnen cellen kunnen met lichtpincetten van plaats worden veranderd.
Als men nu nog met deze structuren kan gaan draaien, wordt het veel
makkelijker bepaalde celdelen te bekijken, wat dan weer het veelvuldige
onderzoek van celstructuren ten goede kan komen.
Tenslotte hoeven de gemanipuleerde objecten niet per se biologisch
te zijn. Dholaika zegt dat “onze techniek gebruikt kan worden om motoren,
mixers en centrifuges aan te drijven, net als andere roterende onderdelen
in de minuscule (nano)technologeën
van de toekomst”. Eén van deze toepassingen is het zogenaamde Laboratorium-op-een-chip
dat chemische en biologische tests zou kunnen verrichten tegen een
snelheid die veel hoger ligt dan wat nu binnen het bereik ligt.
(DdV)
Aansluitende artikels:
Licht
bij de lurven gevat - 18-01-2001
Nanotechnologie
komt steeds dichterbij - 10-08-2000
Licht
kan sneller dan 300.000 km per seconde - 20-07-2000
Related links:
Lab-on-a-chip
Arthur
Ashkin
©
David de Vaal
