《光鑷技術(shù)》
九旬美國物理學(xué)家阿瑟·阿什金因?yàn)榘l(fā)明“光鑷技術(shù)”,獲得2018年諾貝爾物理學(xué)獎。很多科研界人士甚至壓根沒聽說過“光鑷”這種技術(shù)?!肮忤嚒彪m然內(nèi)涵深奧,但其實(shí)稍加簡介就能讓普通人建立概念。今天,我們就先試著讓大家了解一下這個能夠以光的力量來操縱細(xì)胞的諾貝爾獎成就。
“光鑷”誕生的發(fā)想——光之力
伴隨著上世紀(jì)60年代以來激光束流相關(guān)的產(chǎn)生、控制技術(shù)的進(jìn)展,利用光來操作微小物體的“光鑷”隨之登上了歷史舞臺。阿瑟·阿什金教授曾在貝爾實(shí)驗(yàn)室和朗訊科技公司任職,他很早就開始進(jìn)行光操控微粒的研究工作,并最終于1986年公開了他的第一代“光鑷”。
大家都知道光可以協(xié)助動物產(chǎn)生視覺,可以為植物提供能量來源,可以加熱物體,但是對“光的力學(xué)領(lǐng)域”可能并不熟悉。實(shí)際上,光鑷正是利用了“光的力”(也譯為光壓、輻射壓等等),并誕生了舉世矚目的成果。
什么是“光的力”?
中學(xué)物理中,我們已經(jīng)了解了光同時具有波和粒子的雙重性質(zhì),所謂波粒二象性。與人體被飛來的棒球擊中后產(chǎn)生沖擊一樣,光的粒子即光子在接觸物體后,同樣會對該物體施加力的作用。
你可能會感到奇怪,既然如此,我們?yōu)槭裁礇]有被強(qiáng)烈的日光或者探照燈擊倒在地呢?
這是因?yàn)?,光的壓力大概僅僅在10億分之一到100億分之一N這個數(shù)量級,所以說能用肉身感受到光壓的人顯然是不存在的。
然而,越是微小的物體,就越容易被微小的力所撼動。例如,紅血球、細(xì)菌一類人體細(xì)胞或者微生物等等都對光壓非常敏感。來自光的微小壓力可以讓微小的物體在不受到積壓破壞的前提下進(jìn)行移動。
光鑷是如何讓光操控微粒成為可能的
具體來說,光鑷系統(tǒng)一般由照明光路和控制光路構(gòu)成。
照明光路負(fù)責(zé)采集成像所需的信號,而控制光路用來控制和限制微小物體的運(yùn)動??刂乒饴返暮诵氖菂R聚性能特別好的激光束發(fā)射系統(tǒng)。
激光的特性之一就是可以被匯聚到一個十分微小的光斑上,這是普通光源所無法實(shí)現(xiàn)的。
對于所要操控的微小物體來說,這種激光束匯聚形成的強(qiáng)聚焦光斑會形成一個類似“陷阱”的機(jī)構(gòu)(稱為三維光學(xué)勢阱),微粒將會被束縛在其中。
一旦微粒偏離這個“陷阱”中的能量最低點(diǎn)(即位置的穩(wěn)定點(diǎn)),就會受到指向穩(wěn)定點(diǎn)的恢復(fù)力作用,好像掉進(jìn)了一個無法擺脫的“陷阱”一般。如果移動聚焦光斑,微粒也會隨之移動,因此便能實(shí)現(xiàn)對微粒的捕獲和操控。
光鑷技術(shù)早已大顯神通
光鑷技術(shù)在生物學(xué)研究領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用,例如將不同細(xì)胞擠壓在一起,或者向細(xì)胞中注入微量物質(zhì)或者微小物體一類場合,都是光鑷大顯身手的時機(jī)。
又比如,在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域,經(jīng)常會有區(qū)分水中數(shù)種微小物體的需求,利用光鑷可以將各種物質(zhì)在無損條件下容易地分離,給之后的精密分析創(chuàng)造良好的條件。
此外,在操控的同時,鑒于激光波長良好的穩(wěn)定性和高精度,光鑷還可以同時獲得大量空間測量數(shù)據(jù)。
一個有趣的應(yīng)用實(shí)例就是,有研究人員利用光鑷測量了驅(qū)動蛋白在微管上行走的距離數(shù)據(jù),從而推算出驅(qū)動蛋白每走一步的能量正好相當(dāng)于一個ATP水解所釋放的能量,堪稱光鑷操控性和測量性結(jié)合的絕好案例。
其實(shí),直到筆者打出“光鑷”兩個字的時候,搜狗輸入法還沒有錄入這個詞組……相信對于絕大多數(shù)人來說,光鑷都是一個相當(dāng)陌生的概念。光鑷技術(shù)所代表的一系列微操控技術(shù),的的確確為人類在諸多領(lǐng)域帶來了極為便利的工具。此番斬獲諾獎,雖然出乎大多預(yù)測所料,卻也名副其實(shí)。相信隨著諾貝爾獎的頒發(fā),光鑷技術(shù)必然會在世界范圍內(nèi)掀起一股科普風(fēng)潮。
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(一)垂釣
余秋雨
去年夏天我與妻子買票參加了一個民間旅行團(tuán),從牡丹江出發(fā),到俄羅斯的海參崴游玩。海參崴的主要魅力在于海,我們下榻的旅館面對海,每天除了在陽臺上看海,還要一次次下到海岸的最外沿,靜靜地看。
海參崴的海與別處不同,深灰色的迷蒙中透露出巨大的恐怖。我們瞇縫著眼睛,把脖子縮進(jìn)衣領(lǐng),立即成了大自然凜冽威儀下的可憐小蟲。其實(shí)豈止是我們,連海鷗也只在岸邊盤旋,不敢遠(yuǎn)翔,四五條獵犬在沙灘上對著海浪狂吠,但才吠幾聲又縮腳逃回。逃回后又回頭吠叫,嗚嗚的風(fēng)聲中永遠(yuǎn)夾帶著這種凄惶的吠叫聲,直到深更半夜。只有幾艘兵艦在海霧中隱約,海霧濃了它們就淡,海霧淡了它們就濃,有時以為它們駛走了,定睛一看還在,看了幾天都沒有移動的跡象,就像一座座千古冰山。我們在海邊說話,盡量壓低了聲音,怕驚動了冥冥中的什么。
在一個小小的彎角上,我們發(fā)現(xiàn),端坐著一胖一瘦兩個垂釣的老人。
胖老人聽見腳步聲朝我們眨了眨眼算是打了招呼,他回身舉起釣竿把他的成果朝我們揚(yáng)了一揚(yáng),原來他的釣繩上掛了六個小小的釣鉤,每個釣鉤上都是一條小魚。他把六條小魚摘下來放進(jìn)身邊的水桶里,然后再次下鉤,半分鐘不到他又起竿,又是六條掛在上面。就這樣,他忙忙碌碌地下鉤起鉤,我妻子走近前去一看,水桶里已有半桶小魚。
奇怪的是,只離他兩米之遠(yuǎn)的瘦老人卻紋絲不動。為什么一條魚也不上他的鉤呢?正納悶,水波輕輕一動,他緩緩起竿,沒有魚,但一看釣鉤卻碩大無比,原來只想釣大魚。在他眼中,胖老人忙忙碌碌地釣起那一大堆魚,根本是在糟踐釣魚者的取舍標(biāo)準(zhǔn)和堂皇形象。偉大的釣魚者是安坐著與大海進(jìn)行談判的人類代表,而不是在等待對方瑣碎的施舍。
胖老人每次起竿摘魚都要用眼角瞟一下瘦老人,好像在說:“你就這么熬下去吧,偉大的談判者!”而瘦老人只以泥塑木雕般的安靜來回答。
兩人都在嘲諷對方,兩人誰也不服誰。
過了不久,胖老人起身,提起滿滿的魚桶走了,快樂地朝我們扮了一個鬼臉,卻連笑聲也沒有發(fā)出,腳步如勝利者凱旋。瘦老人仍然端坐著,夕陽照著他倔強(qiáng)的身軀,他用背影來鄙視同伴的淺薄。暮色蒼茫了,我們必須回去,走了一段路回身,看到瘦小的身影還在與大海對峙。此時的海,已經(jīng)更加猙獰昏暗。狗吠聲越來越響,夜晚開始了。
妻子說:“我已經(jīng)明白,為什么一個這么胖,一個這么瘦了。一個更加物質(zhì),一個更加精神。人世間的精神總是固執(zhí)而瘦削的,對嗎?”
我說:“說得好。但也可以說,一個是喜劇美,一個是悲劇美。他們天天在互相批判,但加在一起才是完整的人類?!?br />
確實(shí),他們誰也離不開誰。沒有瘦老人,胖老人的豐收何以證明?沒有胖老人,瘦老人固守有何意義?大海中多的是魚,誰的豐收都不足掛齒;大海有漫長的歷史,誰的固守都是一瞬間。因此,他們的價值都得由對手來證明??梢栽O(shè)想,哪一天,胖老人見不到瘦老人,或瘦老人見不到胖老人,將會是何等惶恐。在這個意義上,最大的對手也就是最大的朋友,很難分開。
兩位老人身體都很好,我想此時此刻,他們一定還坐在海邊,像兩座恒久的雕塑,組成我們心中的海參崴。
(選自《余秋雨散文》)
(二)江雪
柳宗元
千山鳥飛絕,萬徑人蹤滅。
孤舟蓑笠翁,獨(dú)釣寒江雪。
(三)漁歌子
張志和
西塞山前白鷺飛,桃花流水鱖魚肥。
青箬笠,綠蓑衣,斜風(fēng)細(xì)雨不須歸。
A.《垂釣》開篇寫海鷗“盤旋”、獵犬“狂吠”、兵艦時隱時現(xiàn),烘托了大海的“恐怖”“凄惶”,為兩位老人的出場作了環(huán)境的鋪墊。
B.《垂釣》中“胖老人”的忙碌與收獲與“瘦老人”的安坐與固守形成鮮明的對比,表現(xiàn)出
C.《江雪》借寫景來抒情,“絕”“滅”“雪”給人靜謐凄寂之感,正好與“寒”的氛圍相合,體現(xiàn)出柳詩骨力峭拔與色調(diào)清冷的特色。
D.《漁歌子》中白鷺、紅桃、青笠、綠衣讓色澤鮮明而柔和,氣氛寧靜而又充滿活力,體現(xiàn)了作者著色明麗、用語活潑的風(fēng)格。
E.兩首詩歌都運(yùn)用了對比手法:《江雪》“鳥飛”、“人蹤”和“獨(dú)釣”形成對比,《漁歌子》“白鷺飛”、“鱖魚肥”和“不須歸”形成對比。
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文章《論真性情》第⑸段寫到:“你說,得活出個樣兒來。我說,得活出個味兒來?!苯Y(jié)合上下文說說兩個加點(diǎn)短語的含義。
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文章題目“母親的心”有哪兩層含義?
請你用簡潔的語言說說題目“輕放”的含義。
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“小屋在山的懷抱中,猶如在花蕊中一般,慢慢地花蕊綻開了一些,好像層山后退了一些?!保ā段业目罩袠情w》)對這句話分析理解錯誤的一項是()。
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莫泊桑的《項鏈》一文中,不能體現(xiàn)路瓦栽夫人虛榮心的一句是()。