【歷史回顧】光鑷與朱棣文:1997諾貝爾物理桂冠

■你或許很熟悉楊振寧、李政道跟李遠哲這些鼎鼎大名的華人科學家,但你可能不太熟悉朱棣文………

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Steven Chu

 撰文|方程毅

光鑷,英文為Optical tweezers,在英文中tweezer這個字就是我們在實驗室使用的鑷子,常用來夾取試片。而光鑷,顧名思義就是利用光來夾取東西,並放到我們想要的位置。光鑷不同於一般鑷子的地方就在於光鑷對付的是尺寸非常小的東西,例如DNA、奈米粒子、微生物等等。試想如果我們能在微小尺度下把DNA”夾”起來,並精準移動到另一個地方,這是多麼了不起的一件事情。是,這項技術當然了不起,著名的華人科學家朱棣文教授(Steven Chu)在1997年便與Claude Cohen-Tannoudji及William D. Phillips因為這項技術共同獲得諾貝爾物理學獎。

朱棣文教授是一位美國華裔物理學家,出生於密蘇里州聖路易市(St. Louis, Missouri)。於1994年獲選我國中研院院士,同年獲選為中研院院士的還有現任中研院院長翁啟惠以及台灣半導體之父的施敏。朱棣文教授也是繼楊振寧、李政道及丁肇中後,第四位榮獲諾貝爾物理學獎的華人(李遠哲是化學獎)。2008年歐巴馬政府上台後,便借重他的專長,任命他為美國第12任能源部長 (2009年1月21日至2013年5月16日)。卸任後目前在美國史丹佛大學(Stanford University)物理系任教。

光鑷這項技術最早是由在1970年代貝爾實驗室(Bell Laboratories)的Arthur Ashkin博士所提出的,而1986年由同樣在貝爾實驗室的朱棣文教授將其應用於冷卻及捕捉原子而聲名大噪,進而獲得1997諾貝爾物理學獎。

光鑷的原理是當一束高度聚焦雷射光照射在微小粒子上時,光子會因為碰撞(或折射)而偏折,光子本身帶有動量,因此當光子偏折時,為了維持動量守恆,會迫使這個粒子往雷射光的焦點移動。這樣概略的描述想必讀者們還是一知半解,用圖解或許會比較清晰。圖1a是整個光鑷的示意圖,將雷射聚焦,在焦平面附近便是光鑷工作的區域(我們稍後會解釋optical trap是什麼意思),再來看圖1b,雷射光的強度在空間上分布並不是均勻的,常見的為高斯分布(Gaussian intensity profile),亦即在中軸線上強度較強、光子較多,而越遠離中軸線,強度就逐漸減弱。雷射光束內所有的光子還是近似於平行光,當這些平行光束經過粒子時會產生偏折,偏折的角度一樣,但方向相反。為了維持動量守恆,往下面偏的光子就會對粒子產生一個向上的力量,往上面偏的光子便會對粒子產生向下的力量。但是因為雷射光接近中軸線上強度比較強,因此偏折的光子數量較多(圖中較粗箭頭),而遠離中軸線上偏折的光子較少,造成淨力往上,也就是往雷射的焦點上移動。光子本身動量並不大,所以這樣的淨力只能用於微小粒子。

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圖1光鑷原理示意圖。

那麼optical trap是什麼意思呢?trap是陷阱的意思,因此若有一束高度聚焦的雷射光在粒子旁邊,粒子就會被推向焦點,那雷射光焦點的位置就像是一個陷阱,把粒子困在裡面。移動雷射光的同時也就像把粒子”夾”在焦點處四處移動(圖2A)。光鑷可以精準控制小到只有5奈米的粒子,當然也可以用於DNA、蛋白質或微生物等等,不僅如此,也可以拿來控制奈米等級的閥門(圖2B)或是讓奈米等級的扇葉旋轉。光鑷除了可以拿來當鑷子夾東西之外,也可以讓小粒子排排站,因為每一個焦點就是一個陷阱,而光可以利用干涉及繞射等技術在一個平面上產生許多陷阱,一個蘿蔔一個坑,科學家便可以控制光束產生各種不同樣態或陣列的陷阱,讓這些小粒子排列成我們想要的形狀(圖2C)。更進一步,由於不同粒子、DNA甚至是細胞在不同波長的光照射下產生的偏移作用力不盡相同,因此也可以透過調整光波長甚至強度來夾取或困住特定的DNA或細胞,以達到分類的作用。其他應用還包括細胞等級的手術、胚胎探測等等。

不僅在二維尺度下光鑷有極廣泛的應用,三維尺度下更是如此。由於光鑷可以在一平面上定位粒子,因此可以向3D列印一般一層一層把粒子疊上去,形成一三維結構(圖2D),這不僅僅只有娛樂性質,更重要的是科學家能夠在三維空間中精準定位,讓特定反應物互相接觸而產生化學反應,許多生物及醫學上的研究都受惠於這項技術,應用範圍可以說相當廣泛。

圖2:各種光鑷應用之電子顯微鏡圖。(a)利用光鑷移動一微米(μm)二氧化矽粒子。(b) 利用光鑷控制奈米粒子組成的閥門 。(c)利用optical trap排列直徑為800nm的聚苯乙烯粒子。(d) 利用光鑷技術製作之三維立體結構

雖然這樣研究跟能源政策並沒有非常直接的關係,但朱棣文教授在擔任部長前便已經在勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)主持多項生質能源及替代能源的研究計畫,在擔任部長期間也並沒有因為投身政治便停止研究工作,每年都仍有學術產出,在生醫及能源領域皆還有傑出的貢獻,學而優則仕,朱棣文教授在學界獲得最高榮譽也能在政界有舉足輕重的影響力為社會奉獻,非常值得我們學習與效仿。

參考資料:
1. David Grier, “A revolution in optical manipulation” Nature, 424,810 (2003).
2. A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, and Steven Chu,” Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles” Opt. Lett., 11, 288 (1986).
3. Jeffrey Moffitt, Yann Chemla, Steven Smith, and Carlos Bustamante, “Recent Advances in Optical Tweezers” Annu. Rev. Biochem., 77, 205 (2008).
4. http://web.stanford.edu/group/blocklab/Optical%20Tweezers%20Introduction.htm
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Steven_Chu
6. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1997/

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

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One thought on “【歷史回顧】光鑷與朱棣文:1997諾貝爾物理桂冠

  • 2018 年 09 月 29 日 at 01:39:48
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    圖(d)的說明有誤。該圖是以雙光子聚合技術所製造的微米級結構,和光鉗(光鑷)完全無關

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