ЛФ ПНИПУ – на острие науки



Одной из главных задач вуза являются научные разработки, как фундаментальные, так и технологические. Лысьвенский филиал ПНИПУ не остается в стороне от мировых достижений науки и техники.
Например, один из преподавателей филиала – Варвара Юрьевна Гордеева – недавно вернулась из длительной научной командировки в Канаду, где изучала и настраивала фотонно-силовой микроскоп в Университете Калгари.
Принцип действия фотонно-силового микроскопа основан на оптических ловушках, открытых в 1986 году американским ученым Артуром Эшкиным (Arthur Ashkin); команда Эшкина получила Нобелевскую премию по физике в 2019 году за это открытие. Из школьного курса физики все мы знаем, что свет оказывает давление на вещество. Эшкин предложил сфокусировать пучок света на микроскопической частице так, чтобы, оказавшись в фокусе пучка, частица оказалась «захваченной» давлением света (рис. 1). Этот эксперимент положил начало фотонно-силовой микроскопии (photonic force microscopy), которая позволяет манипулировать живыми бактериями, вирусами и даже отдельными органоидами внутри живой клетки, измеряя силы притяжения, действующие между этими крошечными объектами. Как нетрудно догадаться, эти силы также весьма малы – до нескольких пиконьютонов (10-12 ньютонов), что сравнимо с давлением света.


Рис. 1. Принципиальная схема работы оптической ловушки (вверху) и фотография лазерного луча, захватившего частицу (внизу). Рисунок взят из работы [A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, and Steven Chu, Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles. Optics Letters / Vol. 11, No. 5 / May 1986]

Как же работает этот микроскоп? А вот как: две оптические ловушки захватывают по объекту, затем приближают объекты друг к другу, после чего отдаляют (рис.2). На расстояниях порядка нескольких нанометров между микроскопическими частицами действуют силы притяжения и отталкивания, которые можно измерить, наблюдая за отклонением луча в ходе приближения и отдаления. В качестве объектов могут выступать твердые частицы, взвешенные в жидкости, капли масла в воде (эмульсии), и даже разные концы молекулы ДНК. Например, с помощью этого инструмента несколько лет назад ученые сумели измерить прочность молекул ДНК и РНК на растяжение.
Чаще всего этот микроскоп находит применение в клеточной биологии, но канадские ученые предложили использовать его и в технологии новых материалов.
Планируемым объектом исследований Варвары Юрьевны были как раз капли эмульсии масла в воде, из которых предполагалось создать новый материал.


Рисунок 2. Схема работы фотонно-силового микроскопа. Два сфокусированных лазерных луча удерживают по объекту, объекты взвешены в некоторой среде между предметными стеклами микроскопа. Из работы [An Chen, Yu Jing, Fu-Ning Sang, Shao-Wei Li, Jian-Hong Xu, Determination of the interaction mechanism of 10 μm oil-in-water emulsion droplets using optical tweezers. Chemical Engineering Science Volume 181, 18 May 2018, Pages 341-347]

В ходе работы ученые выстроили методику измерения сил в подобных объектах, построили теоретическую модель взаимодействия частиц и верифицировали теорию экспериментом.

Присоединяйтесь к научно-исследовательской команде ЛФ ПНИПУ!
Впереди еще много новых открытий.