Když jsme před dvěma lety na Technetu psali o "šíleném" nápadu vytvořit "tažný paprsek", který by proudem světla dokázal přitáhnout hmotu, požádali jsme o radu v Brně, v Ústavu přístrojové techniky. Obrátili jsme se na fyzika Pavla Zemánka, aby nám vysvětlil, jak vědci mohli s takovým nápadem vůbec přijít.
Český vědec nám vysvětlil, že chyba je na naší straně. "Tažný paprsek" v principu není vůbec nic nemožného. Přemýšleli o něm i Češi: "Naše teoretické výpočty přibližně před pěti lety také ukázaly, že by něco takového mohlo být možné," řekl Technetu Zemánek a dodal: "My se ale snažíme o praktické realizace a v práci jsme tedy nepokračovali."
Dnes už víme, že nám neřekl všechno. Čeští vědci totiž "tažný paprsek" nakonec vytvořili. Jeho popis zveřejnili 20. ledna v časopise Nature Photonics. A jedním z podepsaných pod prací je i Pavel Zemánek.
Náhoda přeje připraveným
Bylo to ovšem tak trochu náhodou, brání se český vědec. "My jsme původně připravili pokus s poněkud odlišným záměrem, ale výsledek byl ještě o něco zajímavější, než jsme čekali," říká Pavel Zemánek. Ale nebylo to jenom štěstí: "Já vím, že by novináři rádi napsali, že objev vznikl náhodou, ale tak to úplně nebylo. Nespadlo nám to do klína, pokus se musel pečlivě připravit i analyzovat," dodává.
Důležitý je ovšem výsledek. A tím je světlo, které dokáže hýbat hmotou v různých směrech. Čeští vědci zatím jeho účinek předvedli pouze na polystyrénových kuličkách o průměru zhruba stokrát menší než je průměr lidského vlasu. Vědci ovšem dokázali dát částicím paprskem světla nečekané směry pohybu.
Schéma soustavy vytvářející "tažný paprsek". Laser (v pokusu byl použit zelený o vlnové délce 410 nm) se odráží od zrcadla umístěného pod vzorkem. V prostoru střetu původního a odraženého paprsku vzniká unikátní prostředí, ve kterém lze například světlem manipulovat s částicemi.
Každý si dokáže představit, že proudem fotonů můžete od sebe předměty odtlačovat. Fungují tak vesmírné sondy zvané "sluneční plachetnice" (více např. zde), Slunce stejným způsobem také roztáčí některé planetky v naší soustavě.
V rukou vědců světlo dokázalo díky správnému nastavení pokusu podstatně více. V laboratořích se už dnes používá k manipulaci s malými částečkami na pohled zcela nelogickými způsoby. Dokáže předměty nejen odpuzovat, ale i přidržet či vodit po kruhové dráze a podobně. Nová práce českých vědců tento repertoár o něco obohatila. Světlo vědců z Brna dokázalo například rozdělit předměty podle velikosti.
Odborníci pracovali s polystyrenovými kuličkami dvou rozměrů: 600 a 810 nanometrů, promíchaných dohromady ve vodě. Jak můžeme vidět na připojeném videu, pod optickou soupravou se chaos náhle změní v pořádek a obě skupiny kuliček se disciplinovaně vydají každá opačným směrem. Malé na jednu stranu, velké na druhou. Na všechny přitom působí stejné světlo a jsou ze stejného materiálu.
Rozdíl je daný nastavením pokusu. Pokud podmínky změníte (stačí například změnit polarizaci třeba "otočením" laseru) změní se i výsledky a můžete směr pohybu částic prohodit nebo naopak sjednotit. Přitom princip bude pořád stejný, pohyb částic způsobují dopadající fotony z laserového paprsku. Elegance pokusu tkví v tom, že vlastnosti fotonů dopadajících na vzorky lze jednoduše měnit a tím ovlivňovat i pohyb jejich "cílů".
Bude se to hodit
Už nyní je to užitečná demonstrace. Řada vědců a firemních výzkumníků a technologů v různých oborech dnes pracuje s velmi malými částečkami, od mikrobů po nanočástice. Žádnou z nich do pinzety nechytíte, se vzorky je přitom ale nutné fyzicky manipulovat. "Tažný paprsek" by mohl představovat účinnou a jednoduchou alternativu (či doplněk) k ostatním metodám, ať už optickým nebo jiným.
A budoucnost může být ještě zajímavější. Autoři nové práce například sní o využití principu v rychle se rozvíjejícím poli "mikrorobotiky" (nebo možná nanorobotiky či nanobotiky, uvidíme co se uchytí), tedy vytváření malých, okem neviditelných strojů pro všemožná využití. Světelný systém vytvořený českými vědci by mohl sloužit jako spínač: mikroroboti by se po zapnutí světla mohli jeho působením shromáždit na jednom místě, poskládat do nějakého většího zařízení a přepravit se na místo určení. (V Brně nejsou první, kdo na takové využití světla myslel a zkouší ho, pracuje na tom více týmů různými přístupy.)
Lidé na to nemajíI když jsou možnosti využití práce českých vědců veliké, pořád bohužel platí, že pro rozšíření na předměty denních rozměrů je princip v podstatě nepoužitelný. Stejně jako před dvěma lety, kdy jsme psali hlavně o teoretických pracích na téma tažného paprsku, stále platí, že pro dopravu člověka po paprsku byste potřebovali laser s ohromným výkonem. Fyzik David Grier odhadl jeho nutný výkon na zhruba terrawatt. Takový laser by za dva a půl dne vyzářil tolik energie, kolik činí spotřeba elektřiny v ČR za celý rok. Kontakt s takovým kvantem energie by pokus o přepravu změnil v převedení cestujícího do plynného stavu. |
Zajímavé ovšem je, jak jednoduchý celý "brněnský" pokus je. Sestavu tvoří jen trochu zjednodušeně řečeno v podstatě pouze optický mikroskop, laser a zrcadlo. (Doma si ji nepostavíte proto, že potřebujete laser o výkonu několika wattů, který stojí zhruba čtvrt milionu korun. Ale pro firmy a laboratoře to není takový výdaj, když jim zrychlí a zjednoduší práci.) Malou komplikací je, že vzorek je umístěný pod vodou, kde jsou částice (bakterie i buňky), nadnášeny vodou tak, že jsou "ve stavu beztíže" a vliv proudu fotonů tak není přebit gravitací. Ale to by neměl pro žádného odborníka být obtížně řešitelný problém.
"V pokusech použitou optickou sestavu si dokáže sestavit doslova každý trochu zkušenější optik a jednoduše implementovat na jakýkoliv optický mikroskop. Kolegům po celém světě se tak otevírá možnost studovat tento jev bez nutnosti velkých finančních investic," říká člen brněnského týmu Oto Brzobohatý. On i jeho kolegové věří, že výzkum v této oblasti se rychle rozběhne a jejich práce je jen první z mnoha dalších využívajících tohoto principu.
Vláčky a korálky
A to i proto, že vědci pod mikroskopem pozorovali i složitější chování, jehož zákonitosti nejsou zcela jasné. Ve světle jejich laserů vyvolal kombinovaný účinek dopadajícího světla i světla odrážejícího od jednotlivých částic takové podmínky, že jednotlivé částice se samy skládaly do struktur různých tvarů. Nejjednodušším příkladem jsou řetízky či vláčky tvořené několika částicemi za sebou. Kromě nich mohou vzniknout různé rovinné či prostorové útvary, které díky složité interakci mají tendenci se držet pohromadě (existuje pro hezký český výraz "opticky provázaná hmota").
Není to nic nového, tento jev pozorovala řada dalších týmů. "My jsme ukázali, že tyto struktury se dají do samovolného pohybu obráceným směrem, než se pohybují jednotlivé částice, ze kterých jsou složeny," dodává Pavel Zemánek. Tímto způsobem lze rozpohybovat objekty o velikostech jednotek mikrometrů, tedy včetně živých mikroorganismů, volných buněk či jejich shluků. Poznání zákonů, které tomuto chování vládnou, bude samozřejmě vědce zajímat, protože by mohlo přinést další nové aplikace.
