Los premios Nobel de este año provienen de la ciencia ficción

En la película de ciencia ficción de 1966 Viaje fantástico, el personal médico se reduce al tamaño de microbios para entrar en el cuerpo de un científico para realizar una cirugía cerebral. Debido al trabajo de los ganadores del Premio Nobel de Física de este año, las herramientas láser ahora funcionan a esta escala.

Arthur Ashkin ganó por su desarrollo de pinzas ópticas que usan un láser para agarrar y manipular objetos como una pequeña molécula. Tanto Gérard Mourou como Donna Strickland han ganado para inventar una forma de producir pulsos láser ultracortos de alta intensidad, que se utilizan ahora para realizar millones de cirugías oculares correctivas con láser cada año.

Aquí hay un vistazo a estos inventos, sus inventores y las aplicaciones que los hicieron lo suficientemente importantes como para ganar un Nobel.

Como pensador óptico funcional

Así funcionan las pinzas ópticas. La luz láser pasa a través de una lente de objetivo mientras la lente enfoca la luz en un punto dentro de la partícula de sujeción. Las explicaciones de lo que sucede a continuación dependen del diámetro de la partícula.

Explicación óptica de rayos

Si el diámetro es significativamente mayor que la longitud de onda de la luz, entonces se puede utilizar la óptica de radio para explicar cómo funciona. Debido a la refracción, la luz cambia de dirección a medida que atraviesa el entorno circundante, como el agua hacia la partícula y viceversa. La luz lleva impulso y el cambio de dirección implica un cambio en el impulso de la luz. Este cambio en el momento produce una fuerza neta sobre la partícula que la mueve al foco.

Si, en cambio, la partícula tiene un diámetro mucho más pequeño que la longitud de onda de la luz, entonces la partícula puede ser tratada como un dipolo eléctrico. El área estrecha alrededor del foco de la luz tiene un campo fuerte, que se debilita a medida que se aleja de ese punto, formando gradientes de campo a ambos lados. Estos degradados mueven la partícula al foco.

Sin embargo, en ambos casos, la fuerza de la luz sobre la propia partícula, denominada fuerza de dispersión, también es considerable. Los fotones tienen impulso y debido a que los fotones afectan a la partícula, le dan algo de ese impulso. Esto hace que el centro de la partícula esté ligeramente por delante del foco.

El resultado es algo similar a los rayos tractores de la ciencia ficción pero mucho más pequeños.

Arthur Ashkin: el hombre detrás de las pinzas

Arthur Ashkin, Fuente: Fundación Nobel

Arthur Ashkin, nacido en 1922, recibió una licenciatura en física de la Universidad de Columbia y un doctorado. de Cornell. Durante la Segunda Guerra Mundial, trabajó en magnetrones para sistemas de radar militares de EE. UU. Y conoció a Hans Bethe y Richard Feynman a través de su hermano, Julius, que trabajaba en el Proyecto Manhattan.

En 1952, comenzó a trabajar para Bell Labs donde permaneció, retirándose en 1992. Allí trabajó en el microondas hasta 1961, cuando se cambió a la investigación con láser.

Esa radiación podría presurizar la presión se demostró experimentalmente a principios del siglo XX, pero el efecto fue débil. Los láseres, sin embargo, permitieron efectos más poderosos y en 1970, Ashkin demostró que la luz láser enfocada en un rayo estrecho podía producir fuerzas de dispersión que movían pequeñas partículas dieléctricas en el aire y el agua. También demostró que las partículas podían ser atraídas transversalmente al centro del haz debido a los gradientes de intensidad ambiental. Estos descubrimientos lo llevaron a usar dos rayos opuestos para capturar partículas y luego un efecto de rayo único en el que la fuerza del rayo sobre la partícula era contrarrestada por la fuerza de la gravedad. Finalmente, en 1986 demostró la trampa totalmente óptica de un solo rayo que ahora se llama pinzas ópticas.

Usando pensadores ópticos

Kinesina en una trampa óptica, Fuente: Fundación Nobel

Unos años después de su invención, Ashkin y otros investigadores utilizaron pinzas ópticas para capturar y manipular átomos neutros, virus, bacterias, células de levadura, eritrocitos humanos y más. Desde entonces se han utilizado ampliamente para la investigación biológica.

Un método para manipular moléculas es unir una microperla de poliestireno o sílice artísticas a las moléculas y manipular la perla artísticas que se atrapa fácilmente. Una buena aplicación de esto es comprender la cinética y la mecánica de los motores moleculares, motores que convierten la energía química en movimiento lineal o rotacional. La proteína quinina, por ejemplo, utiliza estos motores para moverse a lo largo de los filamentos de microtúbulos dentro de las células para transportar la carga celular. Al unir una cuenta de arte a una kinesina, se puede medir su tamaño de paso y la fuerza que produce.

A veces, se utilizan trampas dobles para mantenerse contra los extremos opuestos de una proteína o molécula de ADN. Las primeras pruebas de ADN incluían medir la elasticidad y la relajación e inducir fuerzas agudas para la transición a una forma alargada de ADN.

Resolución mejorada de modo que el movimiento en un solo paso de la ARN polimerasa motora se puede seguir a lo largo de pares basados ​​en ADN. La polimerasa de ARN motor copia el ADN en ARNm como un paso en la producción de proteínas dentro de las células. El procesamiento adicional del ARNm por los ribosomas también fue seguido por pinzas ópticas.

Es por la invención de las pinzas ópticas y su aplicación al estudio de sistemas biológicos que Arthur Ashkin recibió el Premio Nobel de Física 2018.

Pulsos ópticos ultracortos de alta intensidad

Refuerzo de pulso de pepita, Fuente: Fundación Nobel

Este premio fue compartido con Gérard Mourou y Donna Strickland para idear un método para generar pulsos ópticos ultracortos utilizando láseres pero con alta intensidad en 1985. La técnica se llama amplificación de pulsos nugget (CPA). Antes de eso, era posible producir pulsos ultracortos a un costo relativamente bajo, pero el hecho de que esto dañaría el amplificador y los componentes ópticos impedía aumentar su intensidad. Solucionar este problema implicó el uso de un haz de gran diámetro, pero esto aumentó el costo y significó realizar solo unos pocos disparos al día para que el amplificador tuviera tiempo de enfriarse.

La solución ideada por Mourou y Strickland, y que se muestra en el diagrama, fue apretar primero el pulso corto en el tiempo en varios órdenes de magnitud. Esto permitió el refuerzo sin dañar el amplificador. El pulso amplio y reforzado se comprimió de nuevo a su duración original, lo que le dio una mayor intensidad en las potencias terrestres.

Strickland y Mourou: la broma láser y el profesor

Foto: Universidad de Rochester

Donna Strickland es la primera mujer ganadora del Premio Nobel de Física desde que Maria Goeppert-Mayer se convirtió en una en 1963 y la única otra fue Marie Curie en 1903.

Strickland coincidiría aquí con los lectores de La-Tecnologia. Mientras asistía a la Universidad McMaster en Canadá, ella y sus compañeros de estudios se llamaban a sí mismos "jinetes láser". Ella siente que esto se debe a que eran buenos con las manos.

Como experimentador, debe comprender la física, pero
También necesito poder hacer que algo funcione, y los láseres eran muy delicados en esos días.

Después de graduarse, se mudó a los Estados Unidos para realizar un doctorado. en la Universidad de Rochester.

Gérard Mourou es un científico de doctorado francés. de la Universidad Pierre y Marie Curie de París en 1973. Fue en 1977 cuando se convirtió en profesor en la Universidad de Rochester, donde conoció a Strickland.

La inspiración para el CPA provino de las largas ondas de radio del radar, pero ambos tardaron algunos años en operar con luz. En ese momento, extendieron la luz pasándola a través de un largo cable de fibra óptica. A veces, al trabajar con un cable de 2,5 km (1,55 millas), no se apagaba ninguna luz por el otro extremo. Hubo una rotura en el cable en alguna parte. En su lugar, se decidieron por 1,4 km (0,86 millas). En 1985 habían lanzado y publicado su artículo. Durante los siguientes años, la fibra fue reemplazada por un par de rejillas de difracción y el refuerzo se incrementó de nanojulios a julios.

Aplicaciones para CPA

Cirugía refractiva con láser de femtosegundo, Fuente: Fundación Nobel

CPA ha encontrado una serie de usos, incluida la investigación de las actividades de los electrones. Esto es posible gracias a láseres de femtosegundos y atosegundos bastante potentes.

Un desarrollo aún en progreso pero que algún día tendrá aplicación médica es la aceleración de plasma láser, algo que actualmente es el dominio de los aceleradores de radiofrecuencia (RF). Funciona inyectando electrones en un canal de plasma y usando un láser para acelerarlos a lo largo del canal. Recientemente, un láser de clase petrificada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley aceleró los electrones a 4,2 GeV a una distancia de solo 9 cm.

Pero la aplicación en la que el CPA ha tenido mayor impacto es en la cirugía ocular con láser, millones de las cuales se realizan anualmente. Los atajos minimizan el daño debido al calentamiento y, por supuesto, la precisión extrema también se beneficia.

Nobles ganadores del Nobel

Según el testamento de Alfred Nobel, en el que inició la fundación del premio, fue para premiar a quienes sirven a la humanidad. Entonces, si bien podemos hablar de manera caprichosa sobre cómo los ganadores de este año produjeron inventos que hicieron realidad la ciencia ficción, fueron elegidos para las aplicaciones en las que se utilizaron esos inventos. Por nuestra complicada comprensión del asombroso desempeño en las células y por los millones que ahora pueden ver mejor, creemos que el premio de este año fue bien ganado.

  • Linda Roehrig dice:

    Me alegra saber acerca de las numerosas aplicaciones de los láseres. ¡Parece que las pinzas podrían eliminar el druzy dentro de mi globo ocular!

  • K40 dice:

    ¿Estamos hablando de sostener algo por un breve momento o el científico puede sostenerlo indefinidamente? Si es lo último, ¿cuánto calentamiento provoca? De hecho, supongo que esa pregunta es bilateral. ¡Normalmente uso láseres para cortar y / o quemar cosas sin sujetarlas!

  • Nathan McCorkle dice:

    Básicamente, no hay explicación de CPA en relación con la explicación dada para pinzas ópticas. Parece que la luz monocromática va a la primera cuadrícula, lo que obviamente no produciría una salida de luz multicolor, y aquí también se ignora por qué la salida se filtraría / mancharía en el tiempo (aparentemente, detalles clave).

    • Luis H dice:

      No es monocromo. Los láseres de femtosegundos producen pulsos de banda ancha (cuanto más corto es un pulso en el dominio del tiempo, más ancho debe ser en el dominio de la frecuencia). Luego, la primera red de difracción extendió los diferentes elementos de longitud de onda en el espacio, y la segunda los recuerda. El truco es que el par de rejillas están en ángulo, por lo que las partículas de diferentes longitudes de onda tienen diferentes distancias para viajar antes de volver a colisionar. Esto es lo que alarga el pulso.

      Básicamente, los proyectos de CPA aseguran que en todas partes de la ruta óptica, la densidad de potencia máxima sea relativamente baja, disipando la energía durante mucho tiempo. La única parte del camino que ve la intensidad completa del pulso final es el compresor al final: generalmente en sistemas muy potentes, el compresor está en una habitación vacía, ya que un solo polvo absorbería suficiente luz para causar una falla catastrófica. También con una potencia muy alta, el láser es lo suficientemente fuerte como para ionizar el aire, lo que provoca la dispersión del rayo y pérdidas significativas.

    • Wolfgang Heidrich dice:

      Un pulso de luz corto SIEMPRE es extra. La única forma en que puedes conseguir realmente luz monocromática, es si la fuente es para siempre; para pulsos finitos, la fuente tiene un ancho de banda fijo, que está relacionado con la longitud del pulso. Puede ver esto solo calculando la transformada de Fourier del campo eléctrico: la única forma de obtener una sola frecuencia es si la señal es sinusoidal (¡pasando de menos infinito a infinito a lo largo del eje del tiempo!). Cualquier forma de señal diferente es siempre una mezcla de múltiples frecuencias.

      Específicamente para pulsos cortos (picosegundos), el modelo suele ser el de una sinusoide (con la frecuencia básica del láser), multiplicada por gauss. En el dominio de Fourier, esto corresponde a un pico de Dirac entrelazado con un gaussiano. El resultado final es una distribución de frecuencia gaussiana, centrada en la frecuencia base.

      • Wolfgang Heidrich dice:

        Permítanme agregar que este es el principio de incertidumbre en acción: simplemente no puede tener una onda electromagnética fuertemente ubicada en el tiempo Y la frecuencia ...

        • Keith dice:

          Gracias muy interesante

        • Nathan McCorkle dice:

          Gracias Wolfgang y Louis, respuestas perfectas. Adecuadamente consistente con mi comprensión de cosas como aumentar la velocidad con amplificadores electrónicos comunes.

  • Ostraco dice:

    "Recientemente, un láser de clase petaway en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley aceleró los electrones a 4,2 GeV a una distancia de sólo 9 cm".

    Los supercolectores se han reducido al escritorio, sin el presupuesto del supercolector.

    • sarcástico dice:

      Desafortunadamente, esto no se puede utilizar como un enfoque práctico para una computadora basura en el escritorio de alguien. p.ej. Perfore el mechón de papel y mírelo compactado a la medida.

    • Mark Wendman dice:

      Una de las razones por las que los aceleradores de electrones basados ​​en láser no se han fortalecido es que la aceleración es energía disipada (y el haz se ensancha / desenfoca físicamente) hasta ahora, y es difícil sincronizar los aceleradores en cascada para una aceleración mucho mayor. ¿Algunos grupos de investigación han estado trabajando en esta área durante más de una década? UCLA se destacó un poco (? Chan Joshi)

    • Elwing dice:

      No estoy seguro del presupuesto ... Todavía está el láser para mascotas ... Y no necesitará 9 cm ...

    • Shannon dice:

      Recuerda que es una colisión de electrones, aún necesitas una gran distancia para acelerar los hadrones.

  • Mark Wendman dice:

    Algunas de las explicaciones sobre la captura con láser "por presión ligera" pueden ser falsas. Básicamente, la captura láser crea un gradiente de presión / densidad ambiental en el medio / agua, etc. y esto es lo que captura las partículas, no la luz en sí misma. La presión de la luz es insignificante, el calentamiento con luz focal puede ser enorme.

    En la década de 1990, el Dr. Rod Taylor del Consejo Nacional de Investigación de la NRC de Canadá ideó un medio alternativo de captura inducida por láser para la manipulación celular. Básicamente, se formó / mantuvo una burbuja de aire en el extremo de la fibra óptica de sílice y la vejiga atrapada pudo manipular las células mediante la atracción del menisco hacia las células. Puedes ver algo aquí

    http://mark-nano.blogspot.com/2005/12/fiber-based-laser-tweezers-nsom-probes.html

    La vejiga está formada por algún tipo de desgasificación cerca del extremo de la fibra (punto de emisión láser) y no funciona por presión láser, sino reduciendo la densidad / desgasificación del agua localmente. La vejiga se sostuvo en el extremo de la fibra en parte por un divot rayado construido en el extremo del núcleo de la fibra (selectividad al agua donde el grabado en húmedo utilizado atacó el núcleo de la fibra más rápido que la metalización protectora)

    Los métodos utilizados fueron un subproducto de un medio modestamente nuevo para fabricar sondas de estilo NSOM AFM, cuando ¿la fibra especial para producir grabado en húmedo? Picos de vidrio de 20 nm, terminación de suministro de fibra y el método de captura de vejiga con láser biológico se desarrolló utilizando fibras ópticas de vidrio más comunes. Rod ha publicado algo sobre esto, no se ha desarrollado ningún instrumento comercial, pero debería ser una herramienta para los biólogos que realizan trabajo celular. El medio más suave para sujetar / mover células. Y tarea sencilla con los minoristas adecuados de HF

  • Steven Dufresne dice:

    Lo pruebo dos veces (en el editor y luego en la vista previa) antes de entregárselo a un editor (sin contar las múltiples lecturas durante la limpieza final). Luego, el editor vuelve a probarlo mientras edita (no sé su proceso exacto). Y luego leí sus cambios para evitar repetir todos los errores estúpidos que encontraron y tomar algunos consejos. A pesar de todo, parece que siguen sucediendo cosas.

    • Saabman dice:

      Culpo a las colisiones de paquetes y las compresiones de pérdida de datos 🙂

  • Elliot Williams dice:

    Hombre, intentemos. Steven es un escritor muy concienzudo. Y trato de leer lo más cuidadosamente posible mientras edito. Que los errores sigan siendo cosa mía, yo edité este.

    Es difícil captar todo, especialmente las palabras faltantes y duplicadas que tu cerebro llena automáticamente. Esto es doblemente cierto para una pieza más larga como esta, donde se escriben miles de palabras. (Si faltan dos palabras, ¡es 99,9% perfecto!)

    Pero ajustar el contenido, no sobre un libro de texto físico, pero tampoco desenfocado, es difícil y significativamente más importante. Y creo que Steven lo clavó en este.

    Sin embargo, tratamos de evitar errores tipográficos estúpidos. ¿A qué frases apunta en particular? Entraré y los arreglaré.

    ("Revisar" es una palabra. También "más").

    • GEO dice:

      Sin decirte cómo hacer tu trabajo, solo un comentario general sobre la corrección de pruebas. Algo que realmente me ayuda a editar es leer el contenido y la redacción, y redactar conscientemente cada palabra para corregirla. Hablando de eso, incluso si en realidad no dices la palabra, sino que pronuncia cada palabra individualmente, tu cerebro detectará esos errores en lugar de corregirlos. Tarda un poco más, pero si lo hago por párrafo mientras escribo, normalmente tengo muy pocos errores al editar.

    • Steven Dufresne dice:

      Hmmm ... Quizás también lea el texto con anchos de pantalla más estrechos. Primero leí el comentario de Elliot en las notificaciones de WordPress, que es bastante limitado, y me perdí el "the", pero se destacan al leerlos en una pantalla ancha de escritorio. (Sin juego de palabras cuando escribí el "el" anterior - juego de palabras con intención).

  • Murray dice:

    Otro uso realmente interesante de los láseres es el enfriamiento Doppler óptico. Aquí hay una buena explicación de la técnica ...

  • Mark Wendman dice:

    Luz NO IMPRIME. Un láser que golpea un objeto creará un lado caliente y un lado frío del medio circundante. La diferencia de temperatura a menudo creará una diferencia de densidad a nanoescala que ejerce una fuerza, los jueces del Premio Nobel pueden estar equivocados teóricamente y técnicamente. El premio Nobel de Física ha malinterpretado el documento de UC Berkeley como un supuesto medio de orientar los nanocables que flotan sobre un sustrato depositado por un reactor de nanocables flotante (crecimiento en lecho fluidizado),

    No pudo ver que las afirmaciones de Berkeley fueran refutadas en el SEM Electric / micrograph en sí con el papel de pares mostrando una orientación aleatoria en el sustrato a pesar de las afirmaciones de lo contrario, Hmmph. (o pariente sueco) el juez del Premio Nobel de Física es (estúpido) Harry Simpleton con conocimientos técnicos limitados fuera de su especialización real (crecimiento de cristales epitaxiales MOCVD en realidad). Laser Tweezers merece un Premio Nobel, la interpretación popular de un dispositivo físico es falsa (la luz simplemente no usa una presión útil, los medios circundantes hacen el trabajo de fuerza / presión de los hombres)

    FWIW Intenté publicar 2x antes aquí y nunca aparecí. Soy ingeniero de procesos físicos en nano y microtecnología y he resuelto probabilidad de una amplia fábrica y en Intel y Motorola en mi tiempo libre casi, se han emitido 3 patentes y algunas más registradas. Las personas con altos certificados formales pueden cometer errores o no resolver las tareas asignadas,

    Me enorgullezco de no jugar en programas, en general es menos interesante que la ingeniería física / de procesos
    La nanotecnología puede ser divertida pero ocasionalmente inapropiada, poco práctica o incluso irrelevante.

    • Mihai Florea dice:

      https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_pressure

Alejandro Vargas
Alejandro Vargas

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