Fyrir hvaða rannsóknir voru Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði 2018 veitt?

Þriðjudaginn 2. október 2018, tilkynnti sænska Nóbelsstofnunin að Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði 2018 hefðu verið veitt þremur vísindamönnum, þeim Arthur Ashkin við Bell-rannsóknarstofnunina í Bandaríkjunum, Gérard Mourou við École Polytechnique í Frakklandi og Michican-háskóla í Bandaríkjunum og Donnu Strickland við háskólann í Waterloo í Kanada.

Verðlaunin, sem skiptust í hlutföllunum 50% til Arthur Ashkin, 25% til Gérard Mourou og 25% til Donnu Strickland, voru veitt fyrir uppgötvanir og þróun á leysi-tækni á undanförnum árum (leysir er íslenskun á enska orðinu „LASER“, en það er skammstöfun á Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Uppgötvanir og vinna styrkþega hefur leitt af sér verulegar framfarir bæði í rannsóknum og hagnýtingu á fjölmörgum sviðum, svo sem í læknisfræði, líffræði og efnistækni ýmiss konar.

Mynd 1. Nóbelsverðlaunahafar í eðlisfræði 2018, Arthur Ashkin, Gérard Mourou og Donna Strickland, sem er þriðja konan sem hlýtur Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði frá því þau voru fyrst veitt.

Arthur Ashkin fékk verðlaunin fyrir að uppgötva og þróa tækni til að einangra og skoða virkni og eiginleika smárra einda og agna á borð við frumeinda (e. atoms), sameinda (e. molecules) og fruma (e. cells) með leysigeislum. Hann sýndi fram á að unnt væri að nota ljósorku leysigeisla til að halda litlum ögnum/eindum föstum og einangruðum (innilokuðum) í brennipunkti geislanna (mynd 2). Þannig var mögulegt að „halda á“ og rannsaka nánar örsmáar ósýnilegar agnir/eindir með leysigeislum með samsvörun við algenga notkun á fíngerðum flísatöngum til að skoða ýmsa smáa sýnilega hluti. Fyrir vikið er aðferðin nefnd „ljóstöng“ eða „ljósgildra“ (e. optical tweezers / light trap).

Mynd 2. Hægt er að nota ljósorku leysigeisla til að halda litlum ögnum/eindum föstum og einangruðum (innilokuðum) í brennipunkti geislanna.

Í ljós kom að hegðun og hreyfing agna/einda sem voru innilokaðar í brennidepli leysigeisla var háð gerð þeirra og gat þannig verið óbein vísbending um lögun þeirra og eiginleika. Þannig hefur aðferðin verið notuð til að einangra og rannsaka nánar ýmsar bakteríur, svo dæmi sé tekið. Á síðustu árum hefur þessi aðferð verið nýtt á fjölmörgum sviðum líf- og læknavísinda, til dæmis við að skoða og hafa áhrif á eiginleika lífsameinda á borð við lífhvata (e. enzymes) og erfðaefnið DNA eða til að aðskilja heilbrigðar blóðfrumur frá óheilbrigðum, svo nokkuð sé nefnt.

Þau Gérard Mourou og Donna Strickland fengu verðlaunin fyrir að uppgötva og þróa aðferð til að búa til mjög stutt (miðað við tíma) og orkurík leysi-leiftur (leysi-blossar). Rekja má upphaf vinnu þeirra til doktorsnáms Donnu Stricklands undir leiðsögn Gérard Mourou við Rochester-háskólann í Bandaríkjunum fyrir 1985. Á þeim tíma var farið að nota stutt leysi-leiftur í eðlis- og efnafræði til að ljósmynda, með óbeinum hætti, smæstu efniseindir, frumeindir og sameindir, sem eru á „ógnarhreyfingu“ í dæmigerðum efnasýnum. Þetta var afar mikilvæg rannsóknaraðferð á viðkomandi sviðum. Aðferðinni má líkja við myndatöku af hröðum atburði þar sem notast þarf við fljótvirkni (sbr. stutt ljósop) til að fá skýra mynd. Því styttri leysi-leiftur, því betri árangur. Því hraðari sem ljósleiftur/leysi-leiftur eru því hraðari atburði er unnt að greina (Mynd 3).

Mynd 3. Því hraðari sem ljósleiftur/leysi-leiftur eru því hraðari atburði er unnt að greina.

Um 1985 var tímalengd leysi-leiftra vel yfir femtósekúndur (10^-15s) og ekki útlit fyrir frekari úrbætur með þeim aðferðum sem þá voru þekktar. Aðferð Donnu Stricklands og Gérard Mourou fól hins vegar í sér nýjung (Mynd 4). Með raufarglerjum (e. gratings) var teygt á stuttum leysi-leiftrum, þau því næst mögnuð upp og loks stytt aftur. Þannig var bæði unnt að fá mjög stutt (allt að attósekúndu (10^-18s)) og orkumikil leysi-leiftur. Aðferðin nefnist á ensku „Chirped Pulse Amplification“ (CPA) sem kalla mætti „samþjöppuð leifturmyndun“.

Mynd 4. Með raufarglerjum (e. gratings) var hægt að teygja á stuttum leysi-leiftrum, þau því næst mögnuð upp og loks stytt aftur.

Aðferð þessi er nýtt við gerð flestra stuttra leysi-leiftra í aflmiklum leysitækjum í dag. Auk þess að vera nýtanleg við óbeina myndagerð á efnum og efnaferlum ýmis konar, líkt og greint er frá hér ofar, hefur notagildi slíkra ofurstuttra aflmikilla leysi-leiftra reynst vera gífurlega margbreytilegt. Í dag eru slík leiftur notuð við mótun á fíngerðum munstrum í yfirborð efna, til dæmis við gerð örsmárra rafrása. Í læknisfræðilegum tilgangi er þekktasta notagildi slíkra leiftra við algengar augnaðgerðir. Ástæða er til að ætla að notkunarmöguleikar þessarar tækni verði mun fleiri í náinni framtíð.

Heimildir og myndir: