Na 30 jaar waardering voor optische pincet

Een optische pincet en superkorte en krachtige lichtpulsen. Dit jaar gaat de Nobelprijs voor Natuurkunde naar twee soorten gereedschap, beide op basis van licht. De lasertechnieken hebben toepassingen in tal van andere vakgebieden, van biologie en geneeskunde tot scheikunde en hoge-energiefysica.

Zo worden optische pincetten gebruikt in de biologie om individuele eiwitten en DNA-moleculen vast te pakken en te bestuderen. Eerder dit jaar verscheen er nog een onderzoek waarbij met een optische pincet twee losse atomen aan elkaar zijn geplakt om samen één molecuul te vormen. Dat is scheikunde op de allerkleinste schaal. De toepassingen van de korte, krachtige laserpulsen zijn nog praktischer. Jaarlijks worden er miljoenen oogoperaties uitgevoerd met deze krachtige lasers.

Lasers, geconcentreerde bundels licht, werden zestig jaar geleden ontwikkeld. Ze zenden slechts één golflengte (en dus één kleur) licht uit in één richting. Dit in tegenstelling tot andere lichtbronnen, zoals de zon en lampen, die in alle richtingen een breed spectrum van golflengtes uitzenden.

Optische pincet

De helft van de prijs gaat naar de Amerikaan Arthur Ashkin (1922), die een lasertechniek ontwikkelde waarmee kleine deeltjes, zoals moleculen en zelfs atomen, gevangen kunnen worden in een straal laserlicht. De 96 jaar oude Ashkin is de oudste Nobelprijswinnaar ooit.

Het idee dat licht gebruikt kan worden om voorwerpen vast te pakken en te verplaatsen voelt als sciencefiction, zei hij zelf eens. Maar Ashkin realiseerde zich dat de kracht van laserlicht genoeg is om superkleine, lichte objecten in beweging te brengen. Hij toonde dit eerst aan door latex bolletjes van een micrometer (een duizendste van een millimeter) in beweging te brengen met een laser.

Dit effect kun je je voorstellen als een pingpongballetje dat omhooggehouden wordt door de luchtstroom van een föhn. De lucht die door de föhn omhooggeblazen wordt, duwt tegen het balletje aan, waardoor het in die luchtstroom blijft zweven.

De gezamenlijke krachten in een laserbundel duwen het deeltje daarom naar de plek met de hoogste intensiteit, het midden van de straal. Zo kun je een deeltje heel gericht in beweging brengen. De volgende stap is het vastpakken en vasthouden. Dat kan door het licht te focussen met een lens. Gefocust licht komt op een enkel punt samen, waar de intensiteit dan het hoogst is. In dat punt kun je een deeltje vangen. Deze deeltjesval heet een optische pincet.

Met die pincet kun je niet alleen kleine bolletjes vastpakken, maar ook bacteriën, eiwitten, moleculen en zelfs atomen. Door een laser met de juiste (niet te heftige) golflengte te kiezen kunnen er met de pincet zelfs levende bacteriën opgepakt worden, zonder ze te beschadigen.

„Optische pincetten zijn revolutionair”, zegt hoogleraar Gijs Wuite van de Vrije Universiteit in Amsterdam. „Een heel terechte Nobelprijs. De pincetten zijn als gereedschap heel belangrijk in twee onderzoeksvelden. Ze worden in de fysica en chemie gebruikt om moleculen en atomen te bestuderen. En in de biofysica heeft het een nieuw veld doen opbloeien, doordat je er een enkele DNA-streng of eiwitmolecuul mee kunt oppakken en bestuderen. Voor het eerst kan er op zo’n kleine schaal naar biologische moleculen gekeken worden.” Zelf is Wuite speciaal naar de Verenigde Staten gegaan voor zijn promotie om te leren werken met optische pincetten. Terug in Nederland richtte hij een onderzoeksgroep op waarmee hij onder andere DNA-onderzoek doet met deze pincetten.

„De toepassingen van deze Nobelprijs hebben ook een Nederlands tintje”, zegt Wuite. „In Amsterdam zit namelijk het enige bedrijf dat commercieel optische pincetten verkoopt: LUMICKS.” Dit bedrijfje, dat in 2014 mede door Wuite is opgericht, verkoopt aan onderzoeksinstituten over de hele wereld optische-pincettechnieken.

Korte krachtige pulsen

De andere helft van de Nobelprijs gaat naar de Franse Gérard Mourou (1944) en de Canadese Donna Strickland (1959), voor het ontwikkelen van een techniek om superkrachtige, korte laserpulsen te produceren. Sinds de ontwikkeling van de eerste lasers begonnen onderzoekers hun zoektocht naar steeds krachtigere lasers. Midden jaren tachtig liepen onderzoekers tegen een plafond aan. Ze kregen het niet voor elkaar om nog meer energie in laserstralen te proppen. Als ze de intensiteit verder probeerden op te schroeven ging het lasermedium, waar de lichtbundel in gemaakt werd, namelijk kapot.

Mourou en Strickland (die in die tijd als promovendus bij Mourou werkte) ontwikkelden een techniek waarmee de kortste en krachtigste laserpulsen ooit gemaakt worden.

Van een korte laserpuls (een bijzondere, die uit veel kleuren bestaat) trokken ze de kleuren uit elkaar. Hierbij nam de uitwijking (amplitude) en dus de maximale energie per seconde van de lichtgolf af. Vervolgens versterkten ze dit uitgerekte signaal. Daarbij werd de amplitude en dus de intensiteit zo laag gehouden dat het lasermedium niet kapot ging. Tenslotte persten ze de puls samen door de kleuren licht weer op elkaar te leggen. Zo ontstond een korte, krachtige laserpuls.

Deze pulsen kunnen minder dan femtoseconden (biljardste van een seconde) kort zijn. Met die pulsen kun je razendsnelle processen waarnemen. En ze worden gebruikt om heel precies gaatjes te boren in verschillende materialen. De energiestoten zijn zo kort dat het omliggende materiaal niet beschadigt. Alleen de plek waar je de laser op richt wordt geraakt. Van deze eigenschap wordt gebruikgemaakt in de industrie en bijvoorbeeld bij oogoperaties.

„Een mooie Nobelprijs”, zegt hoogleraar Kjeld Eikema, die aan de VU en bij ARCNL onderzoek doet met supersnelle en krachtige lasers. „Voor veel onderzoek zijn deze pulsen een essentiële schakel. En opvallend genoeg weer een Nobelprijs voor optisch onderzoek.” Tien keer eerder vielen lasers in de prijzen.

Toen Martin van Exter, hoogleraar optica aan de Universiteit Leiden, de bekendmaking van de Nobelprijzen hoorde was ook zijn eerste reactie: „Goh, weer een prijs voor licht”, vertelt hij aan de telefoon. „Maar ik vind het helemaal terecht”, benadrukt hij. „Het zijn mooie technieken die al heel lang in allerlei laboratoria wereldwijd gebruikt worden. Ze werden in de jaren tachtig ontwikkeld. Ik weet niet waarom er nu pas waardering voor is.”

Donna Strickland is pas de derde vrouw die de Nobelprijs voor Natuurkunde wint. In 1903 beloonde het Nobelcomité Marie Curie voor haar onderzoek naar de stralingsfenomenen en in 1963 Maria Goeppert-Mayer, voor onderzoek aan de schilstructuur van atoomkernen.

Een interessant detail is dat Donna Strickland universitair docent is, en geen hoogleraar, zoals de andere twee winnaars.

Correctie 3/10: In een eerdere versie van dit stuk ontbrak het feit dat Gijs Wuite mede-oprichter is van LUMICS. Dat is nu toegevoegd.