2018 Nobel fizik ödülleri lazer uygulamalarında çığır açan buluşlara verildi. “Optik Cımbızlama ve Biyolojik Sistemlere Uygulanması” çalışması ile Arthur Askhin ödüle layık görülürken ve “Ultra Kısa Yüksek Yoğunluklu Optik Darbeler Üreten Sistemler” çalışması ile de Gerard Mourou ve Donna Strickland Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldü.

Bu yıl onurlandırılan bu buluşlar lazer fiziğini değiştirdi. Son derece küçük nesneler ve inanılmaz hızlı süreçler artık yeni bir “ışıkla” ortaya çıkıyor. Sadece fizik değil, aynı zamanda kimya, biyoloji ve tıp, temel araştırma ve pratik uygulamalarda kullanılmak üzere keşfedilen hassas aletler Nobel ödülüne layık görülüyor. Tabii ki işin perde arkasında lazer fiziği yatıyor.

Arthur Ashkin, lazer ışınıyla parçacıkları, atomları ve molekülleri toplayan “optik cımbızları” icat etti. Virüsler, bakteriler ve diğer canlı hücreleri de zarar vermeden inceleyebilen, tutabilen ve manipüle edebilen Ashkin’in optik cımbızları, yaşam makinelerini gözlemlemek ve kontrol etmek için tamamen yeni ve çığır açan fırsatlar sunuyor.

Işık Demeti İçinde Seyahat

Arthur Ashkin’in bir hayali vardı: Işık ışınlarını nesneleri taşıyabilmek için kullanmak! 1960’ların ortalarında başlayan kült dizi Star Trek’te, uzayda asteroitlere dokunmadan nesneleri manipüle etmek için çekici bir ışın kullanılıyordu. Tabii ki bu bir bilim kurgu hikayesi.

Güneş ışınlarının enerji taşıdığını hissedebiliriz, örneğin ısınarak, ancak ışından gelen basınç çok küçük bir etki bile hissetmemiz için çok küçük değerlerdedir. Fakat gücü, çok küçük parçacıkları ve atomları itmek için yeterli olabilir mi?

1960 yılında ilk lazerin icat edilmesinden hemen sonra Ashkin, New York dışındaki Bell Laboratories’deki bu yeni enstrümanla deney yapmaya başladı. Bir lazerde, ışık dalgaları, ışınların spektrumun tüm renklerine karıştığı ve her yöne dağıldığı sıradan beyaz ışıktan farklı olarak, tutarlı bir şekilde hareket eder.

Ashkin, bir lazerin küçük parçacıkları hareket ettirmek için ışık ışınları sunabilen mükemmel bir araç olabileceğini fark etti. Mikrometre büyüklüğündeki şeffaf küreleri bu ışınla aydınlattı ve küreleri hareket ettirdi. Aynı zamanda Ashkin, kürelerin en yoğun olduğu ışının ortasına doğru nasıl çekildiğine şaşırdı. Açıklaması ise keskin bir lazer ışınının yoğunluğunun merkezden yanlara doğru azalmasıyla alakalıydı. Bu nedenle, lazer ışığının parçacıklar üzerinde uyguladığı radyasyon basıncı da, partikülleri merkezde tutan ışının ortasına doğru bastırmak suretiyle değişir. Ayrıca Ashkin ışın yönünde partikülleri tutmak ve lazer ışığını odaklamak için güçlü bir lens ilave etti. Parçacıklar daha sonra en büyük ışık yoğunluğuna sahip olan noktaya doğru çekildi. Bir ışık tuzağı doğdu; bu tuzağa optik cımbız adını veriyoruz.

Işıkla Yakalanan Canlı Bakteriler

Birkaç yıl ve birçok aksilikten sonra tekil atomlar da başarıyla bu tuzağa çekildi. Tabii birçok zorluk vardı. Bunlardan birisi optik cımbızların atomları yakalayabilmesi için daha güçlü kuvvetlere ihtiyaç duyulması iken, diğeri ise atomların sahip olduğu ısı titreşimleriydi. Optik cımbızların atomları durdurmak ve onları yakalamak için diğer yöntemlerle harmanlandığı yıl 1986’ydı. Atomları yavaşlatmak kendi başına bir araştırma alanı haline gelirken, Arthur Ashkin optik cımbızları için tamamen yeni bir kullanım keşfetti: Biyolojik sistemler üzerine optik cımbızların kullanımı.

Daha küçük parçacıkları yakalama çabalarında, küçük mozaik virüslerinden örnekler kullandı. Onları bir gece açık bıraktıktan sonra, örnekler, her ikisini de hareket ettiren büyük parçacıklarla doluydu. Bir mikroskop kullanarak, bu parçacıkların, bakteri olduğu fark ettiler. Bu bakteriler serbestçe dolaşmıyordu, onlar da ışık tuzağına yakalanmışlardı. Bununla birlikte, yeşil lazer ışını bakterileri öldürmüştü, dolayısıyla onları hayatta tutabilmek için daha zayıf bir ışın gerekliydi. Görünmez kızılötesi ışığında bakteriler zarar görmemiş ve tuzakta çoğalabilmişti.

Ashkin’in çalışmaları daha sonra çok sayıda farklı bakteri, virüs ve canlı hücreye odaklandı. Hücre zarını tahrip etmeden hücrelere ulaşmanın mümkün olduğu bile gösterildi. Ashkin, optik cımbızlarıyla yeni uygulamaların önünü açtı. Önemli bir atılım, moleküler motorların, hücrelerin içinde hayati iş yapan büyük moleküllerin mekanik özelliklerini araştırmaktı. Optik cımbız kullanılarak detaylı olarak haritalanan ilk bir motor proteini, kinesin ve hücrenin iskeletinin bir parçası olan mikrotübül boyunca adım adım hareketiydi.

 

 

Bilim Kurgudan Pratik Uygulamalara

Son birkaç yıl içinde, birçok başka araştırmacı Ashkin’in yöntemlerini benimsemeye ve onları daha da hassaslaştırmaya yoğunlaştı. Sayısız uygulamanın geliştirilmesi, incelenmekte olan nesnelere dokunmadan onları gözlemlemek, döndürmek, kesmek, itme ve çekmeyi mümkün kılan optik cımbızlar tarafından yapılmaktadır. Optik cımbızlar birçok laboratuvarda; tekil proteinler, moleküler motorlar, DNA veya hücrelerin içsel ömrü gibi biyolojik işlemleri incelemek için standart ekipmanlardandır. Optik holografi, binlerce optik cımbızın eş zamanlı olarak kullanılabileceği en son gelişmeler arasındadır. Örneğin, sıtma ile mücadelede enfekte kan hücrelerinden sağlıklı kan hücrelerini ayırmak için, geniş çapta uygulanabilir.

Ashkin’in keşfettiği bu yöntemler şu ana kadar birçok farklı bilim dalında kullanıldığı gibi ileride de bir çok alana hizmet edecektir ve kimya, biyoloji ve tıp gibi bilim dallarının pratik uygulamalarında çığır açıcı gelişmelere yol açacağından şüphemiz yok.

Kaynaklar ve İleri Okuma:

Kimler Neler Demiş?

avatar
  Subscribe  
Bildir