Лазер у медицині

Ешкіна вважають «батьком» оптичного пінцета, або «оптичної пастки», що дозволила утримувати і проводити маніпуляції із надмалими об’єктами – такими як живі клітини, молекули ДНК, бактерії та віруси – і навіть атоми. 

У своєму найвідомішому експерименті за допомогою лазерного променя Ешкін, разом зі своїм колегою Стівеном Чу та іншими співробітниками, навчилися охолоджувати й утримувати окремі атоми. За цей метод Чу одержав у 1997 році Нобелівську премію, тоді як Артура Ешкіна Нобелівський комітет оминув увагою, хоча без винаходу Ешкіна експеримент Чу навряд чи здійснився б. Проте краще пізно, ніж ніколи, і 21 рік потому справедливість було відновлено – в будинку Ешкіна пролунав телефонний дзвінок з Нобелівського комітету. 

ДІЯ СВІТЛА 

Тим часом науковий керівник Ешкіна-молодшого Сід Міллман вирушив до лабораторій Белла (Bell Labs), найбільшого дослідницького центру тих часів, де у 1958 році було винайдено мазер – квантовий генератор світлового випромінювання, прототип лазера. 

З 1952 року Ешкін досліджує мікрохвильове випромінювання, але 1961- го переключає свою увагу на дослідження лазерів і нелінійних властивостей оптичних волокон. ШЛЯХ – У НАУКУ Артур Ешкін народився 1922 року в родині єврейського емігранта з Одеси Ісідора Ашкеназі та його дружини Хани, уродженки Східної Галіції, і виріс у Нью-Йорку в Брукліні. Родина доклала всіх зусиль, щоб діти здобули гарну освіту: старший брат Артура став фізиком-ядерником, брав участь у Манхеттенському проекті (програмі розробки ядерної зброї). 

Молодший Ешкін також вивчав ядерну фізику, але, зрештою, вирішив змінити сферу діяльності. Бо залишаючись у Корнельському університеті поруч із братом, він прирік би себе на постійне існування у його тіні. 

Однак найбільші досягнення Ешкіна були у сфері дослідження тиску випромінювання – він висунув ідею про те, що світло та інші форми випромінювання можуть діяти із силою на матеріальні об’єкти. 

У Холмделі, одному з підрозділів Bell Labs, де він працював у 1967 році, Артур виявив, що за допомогою лазерного променя можна проштовхувати надмалі (розміром до мікрона) латексні сфери крізь воду. Він також з’ясував, що сфери рухалися від країв променя до центру, що дозволяє захопити їх і утримувати. Навівши на сфери другий промінь, Ешкін зміг зафіксувати їх за допомогою двох оптичних пучків, створивши першу оптичну пастку, або, як її ще називають, оптичний пінцет. Публікація про цей винахід з’явилася ще в далекому 1970 році.

 МИСЛИВЕЦЬ НА МІКРОБІВ 

Після цього Артур Ешкін зосередився на використанні оптичних пінцетів для утримання, «відлову» та вивчення живих істот – різноманітних бактерій і вірусів. Його винахід також став у нагоді для дослідження клітин людського тіла. За допомогою оптичного пінцета можна було маніпулювати цитоплазмою клітин та органелами, займаючись внутрішньоклітинною хірургією.

НА ОЗБРОЄННІ У МЕДИКІВ 

Винахід Ешкіна призвів до справжньої революції у галузі мікротехнологій. Сьогодні цей інструмент дає можливість вивчати структуру білків, рух молекулярних двигунів, що відповідають за внутрішньоклітинний транспорт, досліджувати ДНК. Інші дослідники за допомогою оптичного пінцета здійснювали вимірювання механічних властивостей внутрішньоклітинних компонентів, досліджували, як збудники інфекційних хвороб атакують здорові клітини організму, виявляли нові види бактерій та вірусів. 

Технологія Ешкіна також широко використовується під час штучного запліднення, дозволяючи виявити можливі генетичні захворювання майбутнього ембріона. Також оптичні пінцети використовують в офтальмології: надтонкі лазерні пучки дають змогу робити дуже тонкі розрізи або свердлити крихітні отвори в різних матеріалах, у тому числі й живій тканині. Щорічно завдяки цьому методу проводять мільйони операцій з лазерної корекції зору.

 ЯК ЗЛОВИТИ АТОМ 

Мрією Ешкіна було здійснити за допомогою оптичного пінцета захоплення атомів, але тут на нього чекали труднощі: адже щоб утримати атоми нерухомими протягом певного часу, їх треба було у якийсь спосіб охолодити до температур порядку декількох сотень або десятків мікрокельвінів. У 1975 році Теодор Ганш та Артур Шавлов запропонували охолоджувати атоми за допомогою відомого ефекту Доплера, який застосовують для роботи поліцейських радарів, для відстеження штормів та визначення відстаней до далеких предметів у Всесвіті. Джон Холл та його колеги з Університету Колорадо розробили важливі методи втілення цієї ідеї і створили техніку охолодження, що отримала назву «оптична патока». Озброївшись цими новими методами, Артур Ешкін та його молодий колега Стівен Чу 1984 року розпочали експеримент з охолодження та захоплення групи атомів, використовуючи пастку з оптичних пінцетів. У результаті пристрій мав такий вигляд: охолодження відбувалося у вакуумній камері, в ділянці, де перетиналися шість лазерних охолоджуючих пучків (подва уздовж кожної осі, отриманих за допомогою трьох лазерів і трьох дзеркал). Через дію сили тяжіння охолоджені атоми швидко, за час до однієї секунди, випадали з охолоджувальної ділянки. Для компенсації тяжіння в установці за допомогою двох соленоїдів створювалося квадрупольне магнітне поле. Магніти були розміщені співвісно до та після ділянки патоки, в конфігурації, схожій з кільцями Гельмгольца. На відміну від схеми Гельмгольца струм у котушках тік у протилежних напрямках. Дослідникам вдалося утримувати групу з 500 атомів натрію, охолоджених до 300 мікрокельвінів протягом декількох секунд. 

Стівен Чу продовжив застосовувати охолоджені атоми для створення «атомного фонтана», який використовувався для значного підвищення точності атом-них годинників та експериментального вимірювання прискорення під дією сили тяжіння, згодом за цю роботу спільно з Клодом Коеном-Таннуджі та Вільямом Філіпсом отримав Нобелівську премію. Ешкіна тоді серед лауреатів не відзначили. 

НОВИЙ ПОВОРОТ: ПОТЕНЦІАЛ В ЕНЕРГЕТИЦІ 

У 1992 році Ешкін завершив свою 40-річну кар’єру у Bell Labs і вийшов на пенсію, проте насолоджуватися спокоєм і бездіяльністю було не для нього, і він продовжив займатися дослідженнями у своїй домашній лабораторії. 

Ешкін запатентував 47 винаходів, отримав Премію з квантової електроніки IEEE (1987), Премію Таунса (1988), Премію Ранка (1993), медаль Фредеріка Айвса (1998), Премію Харві (2004). 

Отримання Нобелівської премії Ешкін сприйняв як нагоду привернути увагу науковців до винайденої ним технології, що дасть можливість багаторазово зменшити вартість електричної енергії. Він розповів журналістам, що створив конструкцію з відбивачів, що збільшують концентрацію світла й багаторазово підсилюють потужність сонячних батарей. 

Ешкін переконаний, що його винахід врятує світ і сподівається за життя отримати ще одну Нобелівську премію. Втім, його дружина налаштована дещо скептично: мовляв, вистачить і однієї. Артур та Елін Ешкіни живуть у щасливому шлюбі вже понад 60 років, мають трьох дітей і п’ятеро онуків.