Optik Cımbız Nedir? Işıkla Tuzaklama ve Manipülasyon

Hiç dokunmadan maddeyi kontrol edebilme imkânı… Fantastik filmlerde rastlanabilecek bir sahneyi andırıyor. Bir yandan da sanki fizik kurallarını aşıyor. Kulağa gerçekten çılgınca geliyor ama bu teknoloji günümüzde kullanılıyor. Maddeye dokunmadan, lazerle kontrol edilebilen optik cımbız ile bu mümkün.

Yani, sadece lazer ışığı kullanılarak mikroskobik boyutlardaki maddeler hareket ettirilebiliyor. Bir yerden bir yere taşınabiliyor. Üstelik bu buluşun uygulaması sadece laboratuvarlarla sınırlı kalmıyor. Yöntem, tıp ve mühendislik alanlarında günlük hayatta artık sıklıkla kullanılıyor.

Buluş, bilimin geldiği akıl almaz noktayı gösteriyor. Şimdilik mikroskobik boyutlarda olsa da parlak bir gelecek vaat ediyor. Bu sayede günümüzde hücreler ya da bakteriler hiç dokunmadan bir yerden bir yere taşınabiliyor. Üstelik bu işlem sadece ışık kullanılarak yapılıyor. Kurgu bilim bir hikâye anlatımı gibi dursa da tamamen gerçeklik taşıyor.

Kepler’den Bugüne Optik Cımbız

Bu öykü, NASA tarafından adı uzay teleskoplarına verilen Johannes Kepler ile başlıyor. 1619’da kuyruklu yıldızların güneşe ne zaman yaklaşmak istese itildiğini fark etmişti. O tarihte, bugün bile inanılması güç olan güneş ışığının itme kuvvetini keşfetmişti. Hemen ardından ışığın kuvvetini kullanarak yelkenli gemiler yapma fikrini ortaya atmıştı.

Yani Kepler, ışığın madde üzerine kuvvet uyguladığı ve momentum sağladığını, bunun da insan hayatını değiştireceğini tespit etmişti. O günden sonra bilim insanları ışığın madde üzerine uyguladığı kuvvet üzerine çalıştılar. Fakat dönüm noktası 1961 yılı olmuştur. O yıl yoğunlaştırılmış ışık olan lazer bulunmuştur ve ışık-kuvvet denklemi yeniden hesaplanmak zorunda kalmıştır.

Optik Cımbız Çalışmalarının İlerlemesinde Lazerin Etkisi

Lazerin buluşu bu alanda çalışan genç fizikçi Arthur Ashkin’i de harekete geçirmiştir. 1967’de Ashkin, alttan gönderdiği bir lazer demetinin, atom parçacıklarını saçtığını bulmuştur. Bu çalışma lazerin icadından sonraki en önemli gelişme olarak gösterilmektedir.

Ashkin’in bu buluşuyla kuantum mekaniği teknikleri üzerinde yeni ufuklar açılmıştır. Böylece atom tuzaklama adı verilen ve insan hayatını önemli ölçüde değiştirecek çalışmaların da önü açılmıştır. Bu çok önemli çalışmalar 1997 ve 2001’de Nobel Fizik Ödülü’ne layık görülmüştür.

1986’da yine Arthur Ashkin ve ekibi sahneye çıkarak cımbızlama deneyinde başarıya ulaşmıştır. Optik cımbız yine lazer huzmesine radyan kuvvet eklenerek maddeyi tutmayı başarmıştır. Yöntem ile kuvvet birimi olan 1 newtonun trilyonda birini temsil eden picoNewton boyutunda kuvvet uygulanmaktadır.

Bu kuvvet ile de 5 nanometreden 100 mikrometre boyutuna kadar maddeler hareket ettirilebilmiştir. Ashkin, bir yıl sonra aynı yöntemle virüs ve bakterileri yakalamayı da başarmıştır. Ashkin’in çığır açan bu buluşu 2018 yılında yeniden Nobel Fizik Ödülü’ne layık görülmüştür.

Optik Cımbız Nasıl Çalışır?

Günümüzde liselerde bile bu sistemin örneklenebileceği küçük laboratuvarlar kurulabilmektedir. Nesneyi ışıkla kontrol etme yöntemi olan optik cımbız adından da anlaşılacağı üzere bir cımbız gibi çalışmaktadır.

Uygulama sayesinde virüs, bakteri, parazit, canlı hücreler, proteinler ve enzimler, metal parçaları taşınabilmektedir. Bunun için de ışıkla tuzaklama denilen bir yöntem kullanılmaktadır. Örneğin, kanda istenmeyen bir bakteri tuzaklanmak istenmektedir.

Mikron boyutlu cam veya polyester, tuzaklanmak istenen bakteriye gönderiliyor. Sonrasında cımbızlama yöntemi ile bakterinin boncuğa yapışması sağlanıyor. Böylelikle bakteri istenilen şekilde hareket ettirilebiliyor.

Tıpta Şimdiden Çığır Açan Bir Uygulama: Optik Cımbız

Optik cımbız fiziğin neler başarabileceğinin göstergesidir. Yöntem, ışığın sahip olduğu momentumun, maddenin üzerine düştüğünde yarattığı dönme kuvvetini temel almaktadır. Çalışma prensibi de bunun üzerine kurgulanmaktadır. Işık, mikro düzeydeki boncuğa ulaştığında optik tuzağa düşüyor. Böylelikle lazerle kontrol altına alınmaktadır.

Ayrıca, yöntem ile hücrelerin ayrımı, zararlı bakterilerin takibi ve hareketlerini inceleme de yapılabiliyor. Bu da kan içinde enfeksiyona neden olabilecek bakterilerin hareketlerinin incelenmesine olanak sağlıyor. Böylelikle bazı hastalıkların büyümeden önlenmesi olasıdır.

Optik Cımbız Makro Boyuta Taşınabilir Mi: Manipülasyon

Biyolojide çok önemli bir noktaya gelmiş olan optik cımbız uygulaması nano boyutlardan daha büyük boyutlara da taşınmıştır. Bu da optik manipülasyon ile mümkün olmaktadır. Yapılan bir çalışmada bir zebra balığının kulağına lazer ışınları gönderilmiştir. Balık hiç hareket etmeden hız hissini yakalamıştır. Bu çalışma çeşitli optik manipülasyonların beyin üzerindeki etkilerini gözlemleme açısından son derece yararlıdır. Üstelik cımbız yönteminin nano düzeyden daha büyük boyuttaki maddelere etkisi de ortaya çıkarılmıştır.

Optik Cımbız İnsan Hayatına Çoktan Yerleşti Bile…

Son 20 yılda emekleme dönemini geçiren optik cımbız artık insan hayatının içine girmiş bir olgudur. Özellikle biyolojide, oluşturulan laboratuvarlar ile günlük kullanılan bir yöntem halini almıştır. Sadece biyolojide değil fizik, malzeme ve makine mühendisliğinde de kullanılmaktadır.

Ancak insan hayatına şu an en çok göz ameliyatlarında dokunmaktadır. Lazerli göz ameliyatı diye bilinen yöntem temel olarak cımbızlama yöntemini kullanıyor. Bu yöntem aynı zamanda bebek sahibi olamayanlara da umut olmuştur. İnsan yumurtasında bulunan polar cisimcik, cımbız yöntemiyle zarar vermeden çıkarılmıştır. Bu da yumurtanın genetik kodunun çözümlenmesi açısından önemli bir basamağın geçilmiş olması demektir.

Özetle, tüm bu işlemler mikroskobik yöntemlerle yapılıyor. Tuzaklanan boncuklar; bakteri, hücre ve hatta DNA sarmallarına yapışıyor. Ardından lazer ışınları ile kontrol altına alınıyor ve robotik kollarla yerleri değiştiriliyor. Bu yöntemle hasarlı hücreler tamir edilebiliyor.

Ancak bilim, hala bu optik cımbız üzerinde çalışmaya devam ediyor ve gelecekte pek çok alanda kullanılacağına işaret ediyor.

Opinyu