用激光做的镊子可“夹”住病毒

2018-10-03 08:00 来源:长江日报

  10月2日,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩举行新闻发布会,公布2018年诺贝尔物理学奖获得者 新华社发

  新华社斯德哥尔摩10月2日电(记者张家伟 付一鸣)瑞典皇家科学院2日宣布,将2018年诺贝尔物理学奖授予美国科学家阿瑟·阿什金、法国科学家热拉尔·穆鲁以及加拿大科学家唐娜·斯特里克兰,以表彰他们在激光物理学领域的突破性贡献。

  今年的获奖研究为激光物理学带来革命性的变化。阿什金发明的光镊工具能够“夹”住微小如原子、病毒以及活细胞等物体,这让研究人员实现了科幻小说中的场景——利用激光束操纵和移动物体。

  穆鲁和斯特里克兰的科研突破则为实现更短和更强的激光脉冲打下基础。他们发明的啁啾脉冲放大技术,已经成为高强度激光的标准,应用于众多领域,例如目前广泛开展的激光视力矫正手术。

  今年的诺贝尔奖正式宣布前,就有不少声音呼吁改革评选机制,给予女性更多获奖机会。因此,斯特里克兰的最终获奖备受关注,她成为历史上第三位获得诺贝尔物理学奖的女性科学家。

  斯特里克兰在发布会的电话连线采访中激动地说:“这太疯狂了,我不敢相信这是真的,我非常高兴。”她对于能够加入女性获奖科学家的行列感到非常荣幸。

  三名科学家将分享900万瑞典克朗(约合100万美元)奖金,其中阿什金获得其中一半,穆鲁和斯特里克兰将共享另外一半。

  解读>>> 隔空抓病毒做手术 让光成为奇迹工具

  解读>>>

  随着人类的研发和技术应用走入更高阶段,我们往往要不断地“钻牛角尖”,比如在实验室中观测并分析极其微小的病毒、分毫不差地在眼球上进行微创手术等。要实现这些难度极高的操作,我们需要驾驭光,让光成为奇迹工具。

  阿什金发明了一种光镊工具,它能够用一束高度汇聚的激光形成三维势阱来捕获、操纵极其微小的粒子,也就是说,让激光将小粒子推向光束中心,并将它们固定在那里,从而更好地操纵它们。1987年,阿什金在这方面取得了实质突破。他在不伤害活细菌的情况下,成功用光镊捕获了它们。

  瑞典皇家科学院院士埃娃·林德罗特接受采访时说:“有了这种光镊,我们能够抓取分子,把它们移动到你想要的地方,并对它们展开操作,这是非常实用的工具,事实上我们也经常使用它。”

  有了通过驾驭光而形成的新工具,人们可以操纵和移动原子、病毒和其他活细胞。阿什金的发明让科研人员有机会在不破坏细胞膜的前提下,深入分析细胞内发挥关键作用的分子马达,探讨其中的运作机制。如今在许多生物实验室中,光镊已经是标配的设备。

  穆鲁是斯特里克兰的导师,师生俩合作发明了一种叫作“啁啾脉冲放大”的技术,简单解释就是,将短激光脉冲适时拉伸以减少峰值功率,然后放大它,并最终把它彻底压缩,这能让更多的光被压缩在一个极小空间内,从而大幅提高脉冲的强度。

  他们的新技术为科研和一些产业发展提供了全新视角,在物理、化学以及医学等领域都得到应用。科研人员有机会一窥微观且快速变化中的分子和原子世界中发生了什么。超强的激光束能够精准地在不同材料上实现切割和钻孔。

  林德罗特说:“这项研究涉及如何让激光变得更强,有了强大的激光我们可以做很多实际的事情,比如精准、低成本地为粒子加速,强激光带来的短脉冲又可以帮助我们以简单且尽可能不损伤眼球的方式来矫正视力。”据新华社

  第三位获物理学诺奖的女性:

  一次偶然的加班,让她“比肩”居里夫人

  揭秘

  历史上只有两名女性科学家获得诺贝尔物理学奖。一位是众所周知的居里夫人,最近一次是在1963年,德裔美国女物理学家玛丽亚·格佩特-梅耶因发展了解释原子核结构的数学模型获得物理学奖。而此次作为第三位获物理学诺奖的女性,斯特里克兰却被同行认为是“运气”。

  中科院物理所研究员常国庆从事飞秒激光研究,其导师是穆鲁的学生,与斯特里克兰是同期的同学,因此听说了一件有趣的八卦。

  “穆鲁当时的发现,可以说是歪打正着。”常国庆说,“穆鲁当时在研究一个别的东西:他想把激光脉冲做得更短。为了让激光脉冲和材料发生非线性作用,光谱变宽,再压缩得到短段脉冲,他的实验装置链接顺序是振荡器-放大器-光纤-压缩器。”

  常国庆说,穆鲁有一个学生和科研助理叫斯蒂文·威廉姆斯,是个非常聪明的美国人,与导师合作这套装置。有一天威廉姆斯好奇:如果光纤和放大器调个顺序会是什么结果。他问了穆鲁这个问题,就回家了。在家里,威廉姆斯的妻子告诉他:“你导师打来电话,说你的想法很好,启发了他。”

  实际上,光纤和放大器调个个儿,就是后来的“啁啾脉冲放大”技术。

  “穆鲁看实验室里还有个女同学在,就让她去调一下。这个实验非常简单,随便谁都能做出来。”常国庆说,“做完后,穆鲁可能也没有意识到这么重要,把结果发在《光学通信》这本杂志上。这本杂志唯一的好处就是发表快。”

  因为这篇文章,穆鲁荣获了2018年的物理诺奖,另一位作者就是那位留在实验室的学生——唐娜·斯特里克兰。文章的最后一段专门感谢了斯蒂文·威廉姆斯。

  常国庆说,“我只能说,斯特里克兰非常非常幸运。”

  中科院长春光机所研究员杨建军告诉记者,发表那篇文章的《光学通信》是个水平不高的期刊,影响因子也就1.0,“可能博士为了毕业都用不上”。

  年龄最长的诺奖得主:

  我觉得我被诺贝尔奖遗忘了

  今年已96岁高龄的物理学家阿瑟·阿什金成为获奖时年龄最长的诺贝尔奖得主。

  阿什金曾与华裔科学家朱棣文一起合作,研究激光操纵原子。最后,朱棣文获得了1997年的诺贝尔物理学奖,但阿什金和其他同事一无所获。

  “当然,我觉得被诺贝尔奖遗忘了。”2009年,阿什金在接受采访时说。

  1970年,阿瑟·阿什金在贝尔实验室首次报告了微米级粒子的光学散射。后来,阿什金团队开创了今天所称的“光学镊子”:他将单束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱,证明光学势阱可以无损伤地操纵活体物质——也就是说,他可以利用“光学镊子”抓起活的细菌,而不会对它们造成损伤。

  激光镊子最有前途的非研究性应用是在微流体装置中分选细胞和其他生物材料。激光镊子比单独的流动流体操作起来更精确。

  今天,阿什金已退休,但仍在新泽西州的家中进行实验。据科技日报

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(责任编辑:欧云海)