诺贝尔物理学奖颁给了光镊技术

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发布于2023-04-29

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诺贝尔物理学奖颁给了光镊技术

2023年的诺贝尔物理学奖颁给了光镊技术，运用光镊可以操控许多细微物体，但是光镊却有一个缺点，那就是仍然保留了光的性质不能穿过非透明物质。但是最新的研讨声镊技术，可以完全打败这一缺点，可以说是诺奖的2.0版别。

2023年的诺贝尔奖颁发给了光镊的发明者阿瑟阿什金，光镊运用激光之力（光压，或称辐射压），可以操控极细微的物体，细菌、细胞，甚至是DNA细微的物体可以在不受揉捏的情况下隔空移动。光镊技术现在现已在生物学研讨领域有了很广泛的运用。

但是，还不可。激光能穿透透明物质，一旦遇到非透明物质的阻隔，它就全无招架之力。因此，有科学家运用与光镊相似的原理，规划出了声镊。运用动静的力气，让小到微米，大到厘米的物质，接受声波的操作。最近，英国和西班牙的科学家初度运用声波，隔空让细微物体或是悬浮在空中，或一同将多个物体向不同方向移动。超声波在必定程度上可以穿透非透明的阻隔，这让科学家看到未来将声镊直接用于医学领域的广大运用前景，比如隔空手术、将药物运送到政策器官等等。

激光之力

要了解声镊的原理与作用，不得不先说说光镊。从1960年代后期初步，科学家们初步研讨怎样运用激光操作微观粒子，阿瑟阿什金就是其间之一。1970年，他通过预算，认为集合的激光有或许推动微米大小的微粒，所以他运用1W连续波氩激光束照射于一个微米标准圆球，发现这些微粒沿着光轴被加速推离。

到1986年，阿什金等人指出将单束激光高度集合，在激光束焦点处可以将微粒安稳地捕获，这种技术被称为光镊技术，它可以抓取直径为纳米级至数十微米地粒子。1987年，阿什金首先将光镊运用于生命科学领域，用于捕获细菌、病毒。

由于光镊可以结束远距离非触摸式捕获，并可以对活体样品进行无危害操作，因此在生命科学等许多领域得到了快速、大范围的运用，也由于此项研讨，阿什金在90多岁高龄获得了2023年诺贝尔物理学奖。

激光之所以可以如镊子般夹持物体，首要是由于光辐射压力。光是电磁波，它不只带着能量，也带着动量。实际上，当我们感受着太阳光的热时，实际上也有辐射压力的作用，只不过这力太小了，人自然是感受不到的。据预算，当太阳垂直入射时，地球表面的光压约为0.5达因/平方米，也就是说每平方米所受光压仅约为0.510^-5牛顿。而激光与一般光源不同，它是高亮度、方向性极好的单色光源，激光辐射在空间方向上高度集中，使得在该方向上有很高的亮度，如果把一个微米量级的电介质小球置于10mW的氦氖激光器发射的光集合点处，这个小球将遭到约10^6达因的辐射压力，然后发作10^5g的加速度（g为重力加速度），关于小球来说这样的力现已很大了。

全能声镊

从原理上来看，光镊与声镊多有相似。在声镊方面前期做出重要研讨作用的科学家也首要学习了阿什金等人的作用。1991年，美国维蒙特大学教授吴君汝（Junru Wu）在学术期刊宣告论文提出，运用两束3.5兆赫兹的超声波束，可以捕获并操作直径270微米的乳胶粒子和青蛙卵簇。在这篇论文的参考文献中，共列出5篇文献，其间3篇文献的作者为阿什金等人，其他两篇为吴君汝团队在1990年宣告的相关论文。在论文中，作者写道，声镊依据这样一个概念：集合超声波束的辐射压力可以在物理焦点处发作安稳的力势。这是一篇声镊领域的开创性研讨，自此之后，声镊的研讨如火如荼地展开起来。

通过几十年的展开，运用声波与固体、液体及气体的彼此作用，使得声镊的才干从简略的粒子捕获扩展到细胞、生物体在三维空间中的精确旋转和移动。

当研讨人员对声镊的生物相容性进行研讨的时分，发现声镊可以避免对细胞和小的动物模型发作危害。比如，将红细胞置于声镊仪器中30分钟以上，细胞活力并没有改动。将斑马鱼胚胎相同放在声镊仪器中，也未表现出发育阻碍或许死亡率的改动。

研讨人员认为，声镊的多功能性和生物相容性应该可以处理生物学和生物医学领域的其时应战，例如分别和检测用于癌症确诊的生物符号物。

隔空操作细微物体

最近，英国与西班牙的科学家在美国《国家科学院学报》（PNAS）上发文指出，他们现已成功研宣告可以操作细微物体的超声波悬浮设备，这一设备可以一同将多个物体向不同方向移动。这一设备包含相互相对的双面扬声器阵列，每一面阵列由256个直径仅1厘米的扬声器组成，每一面阵列都与一台计算机相连，每个扬声器都可以被独立操控，它们宣告4万赫兹频率的声波，可以构成错综复杂的声场。

通过操控这一个个扬声器，置于声场中的细微物体可以结束多项任务。在试验中，研讨人员操控直径1毫米到3毫米的聚苯乙烯球，结束跳舞，甚至可以穿针引线等高难度任务。

在研讨人员的演示中，小球可以在操控下单独移动，并可以作为一个整体舞蹈，像女团扮演相同变换着队形。研讨人员还可以将其它物体挂在小球上进行移动，比如，一根连接着两对小球的线在操控下精准地穿过圆洞，让它们结束穿针引线的作业必定不在话下。

光镊是一种美好的技术，但总是有点危险，几乎要杀死被移动的细胞，运用动静我们可以发作相似的力气，但是能量更低。研讨者之一，英国布里斯托大学教授Bruce Drinkwater说。有太多需求进行细胞操控的当地了，声学系统对它们来说是完美的。

由于超声波可以在人体组织中传达，因此，研讨人员认为，未来声镊将有才干将药物输送到指定器官，根除肾结石或许将可植入的医疗器械引导到身体中。

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