Bẫy hạt bằng ánh sáng và nhiệt

Các nhà vật lí ở Đức vừa phát triển một cái bẫy dành cho những hạt kích cỡ micron, hoạt động dựa trên ánh sáng laser và nhiệt. Cái bẫy “nhiệt quang” trên, xây dựng xung quanh một sợi tinh thể quang lượng tử, mang lại một bước ngoặt mới cho bẫy hạt vi mô. Kĩ thuật có thể mang lại một cách thực hiện những phép đo chính xác của những lực nhiệt tác dụng lên những hạt nhỏ xíu và còn có thể dùng để sắp xếp và tập trung các hạt vi mô.

Trong hơn 20 năm qua, người ta đã có thể dùng ánh sáng để bẫy các hạt vi mô. Phát triển chủ chốt xuất hiện vào năm 1986 khi Arthur Ashkin, Steven Chu và các nhà khoa học tại Bell Labs ở Mĩ phát minh ra cái gọi là nhíp quang học: ánh sáng laser tập trung có thể giữ các hạt vi mô trong lưng chừng không gian. Hiện tượng trên hoạt động bởi vì các hạt điện môi bị hút về vùng có điện trường mạnh nhất, đó là chỗ tập trung chùm tia laser.

Tiết diện của sợi tinh thể quang lượng tử dùng để bẫy các hạt vi mô. Đường kính ngoài của sợi là 100 μm và đường kính trong là khoảng 12 μm. (Ảnh: Tijmen Euser.)

Bẫy ánh sáng và vận chuyển bằng ánh sáng

Nhíp quang ngày nay được sử dụng thường xuyên để bẫy và thao tác trên các hạt vi mô – nhất là những vi hạt sinh học, ví dụ như tế bào và virus. Nhưng ánh sáng không phải là cách duy nhất để bẫy các hạt vi mô – các lực nhiệt, thường phát sinh bởi sự hấp thụ ánh sáng – cũng có thể giữ một vai trò nhất định. Chẳng hạn, một laser có thể làm nóng chỉ một bên của một hạt sao cho các phân tử bật phản xạ trên nó nhận được những lượng động lượng khác nhau tùy thuộc vào chúng chạm vào phía nào. Hiệu ứng trên có thể dùng để bẫy hoặc vận chuyển các hạt trên những cự li centi mét trong không khí.

Nay Oliver Schmidt, Tijmen Euser và các đồng sự tại Viện Khoa học Ánh sáng Max Planck ở Erlangen, Đức, vừa tiến hành một phương pháp bẫy mới. Trong dụng cụ của họ, một hạt vi mô có đường kính khoảng 6 μm được chứa bên trong một sợi tinh thể quang lượng tử, lõi rỗng. Đây là một sợi quang trong suốt với đường kính ngoài 100 μm, đường kính trong 12 μm và một ma trận 2D gồm những lỗ nhỏ trong lớp sơn phủ. Ánh sáng laser lái vi hạt đi dọc theo lõi chứa đầy không khí của sợi quang nhưng, khi nó chạm tới một dải tối sơn xung quanh sợi, nó tự dừng lại.

Dòng nhiệt dão

Bố trí trên hoạt động do một hiện tượng gọi là “dòng nhiệt dão”, hiện tượng chỉ tồn tại rất gần một bề mặt có một gradient nhiệt độ - tức là, một bên nóng và một bên lạnh. Các phân tử nóng trong không khí sẽ truyền cho bề mặt đó nhiều động lượng hơn so với các phân tử lạnh, nghĩa là bề mặt đó nhận một hợp lực theo chiều lạnh. Đáp lại, không khí ở giữa lõi sợi chảy theo chiều ngược lại – từ lạnh sang nóng.

Ảnh minh họa cách một hạt nhỏ xíu bị bẫy trong một sợi tinh thể quang lượng tử. Đốm nóng nhiệt được thể hiện bằng màu cam. (Ảnh: APS/Physics 5 76.)

Trong dụng cụ của nhóm Max Planck, gradient nhiệt được tạo ra bởi sự tán xạ ánh sáng của hạt vi mô, nó bị hấp thụ bởi dải tối. Sự dão nhiệt thu được lái một dòng không khí đi theo bề mặt lõi về phía đốm nóng, nó được cân bằng bởi một dòng không khí đi theo giữa lõi theo chiều ngược lại – ra xa đốm nóng – tạo ra một cấu trúc tương tự như dòng đối lưu. Chuỗi hoạt động phức tạp này tạo ra một lực nhớt kéo theo chống lại sức đẩy của laser và bẫy vi hạt tại dải đó.

Sắp xếp các hạt vi mô

Schmidt và Euser trình bày rằng, không giống như những cãi bẫy nhiệt quang trước đây, dụng cụ của họ đòi hỏi bản thân các hạt vi mô đang hấp thụ ánh sáng. Hơn nữa, bức xạ đó và lực nhớt tỉ lệ thuận với công suất của laser, nghĩa là hoạt động bẫy độc lập với công suất của laser. Các nhà nghiên cứu cho biết cái bẫy trên có thể có các ứng dụng trong cái gọi là những hệ “phòng thí nghiệm trên con chip” trong đó các hạt vi mô có thể được điều khiển cho chuyển động xung quanh một con chip nhỏ xíu trong khi những phân tích khác nhau được thực hiện. Hoặc, nếu như thay những dải sơn phủ bằng những bộ phận làm nóng thật sự, thì cái bẫy có thể dùng để sắp xếp các hạt vi mô theo tính chất vật lí của chúng, hoặc để đo các lực nhiệt tác dụng lên chúng.

Nhà sinh lí học Dieter Braun tại trường Đại học Munich Ludwig Maximilians ở Đức tin rằng để bẫy và phát hiện các phân tử sinh học sẽ cần điều chỉnh sợi quang trên để ghi ảnh huỳnh quang. Nhưng ông cho biết việc sử dụng những sợi rỗng như vậy là “rất căn bản”. Tiềm năng ứng dụng của nó “đáng khích lệ và nên theo đuổi”, ông nói.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com