Obecne z użyciem światła: Wączenie cząstek

Promieniowanie cieplne i siła gradientu

Światło przenosi pęd: foton o częstotliwości f niesie pęd równy p = hf/c, a jego absorpcja lub rozpraszanie przekazuje siłę na cząstkę – siłę rozprśrdziałycia, która popycha w kierunku propagacji wiązki (F = P/c, więc 100 mW daje ≈333 pN). Wzrok Ashkina z 1986 roku wykazał, że ściśle skoncentrowana wiązka Gaussa wywiera również siłę przywracającą gradientu, która ciągnie cząstkę dielektryczną w stronę obszaru największej intensywności ze wszystkich kierunków:

F_grad = (2π·n_m·r³/c) · [(m²−1)/(m²+2)] · ∇I (regime Rayleighowski, r ≪ λ) n = n_cząstki / n_środowiska ∇I = gradient intensywności w kierunku ogniskowania Gdy siła gradientu przewyższa siłę rozpraszania osiowego – co wymaga wysokiej liczby otworu numerycznego (NA > 1.0) aby wyostrzyć gradient intensywności – następuje stabilne 3D uwięzienie bez jakiegokolwiek fizycznego kontaktu.

F_grad = (2π·n_m·r³/c) · [(m²−1)/(m²+2)] · ∇I     (Rayleigh regime, r ≪ λ)
m = n_particle / n_medium     ∇I = intensity gradient toward focus

Rayleigh kontra Mie oraz pomiar sił w pikonewtonach

W obszarze Rayleigha (r ≪ λ — nanocząstki, kwantowe kropki), cząstka zachowuje się jak moment dipola i stosuje się bezpośrednio wzór na siłę gradientową. W obszarze Mie (r ≫ λ — kulki i komórki), zaczynają działać prawa optyki rayleighowskiej: zmiana pędu każdego rozszczepionego promienia przyczynia się do ogólnej siły przywracającej. Większość eksperymentów wykorzystuje kulki o rozmiarze 0,5–5 μm, które znajdują się pomiędzy tymi dwoma obszarami, wymagając pełnych obliczeń elektromagnetycznych (macierz T). Długości podczerwieni (800–1064 nm) minimalizują uszkodzenia spowodowane światłem, umożliwiając bezpieczne uwięzienie żywych bakterii i komórek.

Opakowanie optyczne zachowuje się jak sprężyna liniowa, F = κ·Δx, z modułem sprężystości κ zazwyczaj wynoszącym 0,01–1 pN/nm, kalibrowanym za pomocą teorii podziału energii (κ = k_BT/⟨x²⟩), częstotliwości rezonansowej w kształcie łożyska z widma mocy lub znanego oporu Stokesa. Pozwala to badaczom mierzyć siły od ~0,1 pN do ~200 pN — wystarczające, aby odkryć 8 nm krok kinetyny (~5–7 pN na krok, odkryto przy użyciu optycznych pinzet) rozciągnąć DNA przez przejście B-do-S w temperaturze ~65 pN oraz badać napięcie błony komórkowej. Ashkin otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2018 roku za wynalazek.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz the simulation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.