Những công cụ làm bằng ánh sáng: Giải Nobel Vật lí 2018 (Phần 2)

Dùng ánh sáng bắt giữ vi khuẩn sống

Sau vài năm trôi qua và nhiều thất bại, từng nguyên tử cũng đã có thể bị giữ lại trong bẫy. Đã có nhiều khó khăn: một là cần lực mạnh hơn để nhíp ánh sáng có thể bắt giữ các nguyên tử, và một khó khăn nữa là dao động nhiệt của các nguyên tử. Ta cần một cách nào đó làm các nguyên tử chậm lại và gói ghém chúng vào một khu vực nhỏ hơn dấu chấm kết thúc câu này. Mọi thứ đâu vào đấy vào năm 1986, khi nhíp ánh sáng có thể kết hợp với các phương pháp khác làm dừng các nguyên tử và bắt giữ chúng.

Việc làm chậm nguyên tử tự thân nó đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu, nhưng Arthur Ashkin tìm thấy một công dụng hoàn toàn mới cho nhíp ánh sáng của ông: nghiên cứu các hệ sinh vật. Một sự tình cờ đã đưa ông đến ý tưởng đó. Trong những cố gắng nhằm bắt giữ các hạt càng lúc càng nhỏ, ông đã sử dụng các mẩu virus khảm nhỏ. Sau khi để chúng bên ngoài cả đêm, các mẩu ấy chứa đầy những hạt lớn chuyển động tới lui. Sử dụng kính hiển vi, ông phát hiện thấy những hạt này là các vi khuẩn không chỉ đang bơi lội tự do, mà khi chúng tiến đến gần chùm tia laser, chúng bị bắt giữ trong bẫy ánh sáng ấy. Tuy nhiên, chùm laser lục của ông đã tiêu diệt các vi khuẩn, nên cần một chùm tia yếu hơn để giữ cho chúng còn sống. Dưới ánh sáng hồng ngoại không nhìn thấy, các vi khuẩn không bị tổn hại gì và vẫn có thể sinh sôi trong bẫy giữ.

Từ đó, các nghiên cứu của Ashkin tập trung vào vô số vi khuẩn, virus và tế bào sống khác nhau. Ông còn chứng minh rằng ta có thể chạm vào bên trong tế bào mà không phá hỏng màng tế bào. Ashkin đã mở ra cả một thế giới ứng dụng mới với các nhíp ánh sáng của ông. Một đột phá quan trọng là khả năng nghiên cứu cơ tính của các động cơ phân tử, những phân tử lớn thực hiện công có ích bên trong các tế bào. Động cơ đầu tiên được lập bản đồ chi tiết bằng nhíp ánh sáng là một protein động cơ, kinesin, và chuyển động nhích từng bước của nó dọc theo các ống nhỏ li ti, đó là bộ phận của bộ xương tế bào.

Một phân tử động cơ đi bên trong bẫy ánh sáng

1 Phân tử kinesin gắn với một hạt cầu nhỏ được giữ bằng nhíp ánh sáng.

2 Kinesin diễu hành dọc theo bộ xương tế bào. Nó hút hạt cầu, thành ra ta có thể đo chuyển động nhích từng bước của kinesin.

3 Cuối cùng, phân tử động cơ không còn chống nỗi lực của bẫy ánh sáng và hạt cầu buộc phải trở lại tâm của chùm tia.

Từ hư cấu khoa học đến những ứng dụng thực tiễn

Trong vài năm trở lại đây, nhiều nhà nghiên cứu khác đã bị thu hút bởi các phương pháp của Ashkin và góp phần hoàn thiện chúng. Ngày nay, người ta đã phát triển vô số ứng dụng điều khiển bằng nhíp ánh sáng để có thể quan sát, quay lật, cắt, đẩy và kéo – mà không hề chạm vào các vật đang nghiên cứu. Trong nhiều phòng thí nghiệm, các nhíp laser là thiết bị chuẩn để nghiên cứu các quá trình sinh vật học, ví dụ như từng protein, động cơ phân tử, ADN hay sự vận hành bên trong của các tế bào. Kĩ thuật toàn kí quang học là một trong những phát triển mới đây nhất, trong đó người ta sử dụng đồng thời hàng nghìn nhíp ánh sáng, chẳng hạn để tách các tế bào máu khoẻ mạnh ra khỏi những tế bào nhiễm bệnh, thủ thuật có thể được áp dụng rộng rãi để điều trị sốt rét.

Arthur Ashkin chưa bao giờ hết bất ngờ trước sự phát triển các nhíp ánh sáng của ông, một hư cấu khoa học nay đã trở thành thực tế. Phần thứ hai của giải thưởng năm nay – phát minh các xung laser cực nhanh và siêu mạnh – cũng từng có thời là cái nhìn phi thực tế của các nhà nghiên cứu về tương lai.

>> Xem tiếp Phần 3

Nguồn: NobelPrize.org