Licht lijkt ontastbaar – maar is dat niet. Een stroom van lichtdeeltjes kan minuscule deeltjes in beweging brengen door ertegen te duwen. Nieuw onderzoek laat zien dat je met een laserlicht ook aan kleine deeltjes kunt trekken.
Het is bekend dat licht impuls kan overdragen aan andere objecten. Een ruimtevaartuig met lichtzeil wordt voortgestuwd door de druk die zon- of laserlicht uitoefent op het zeil.
Met laserlicht kan je ook piepkleine deeltjes vastpakken. Deze zogeheten optische pincettechniek, waarmee moleculen zoals eiwitten opgepakt kunnen worden, ontwikkelde de Amerikaanse natuurkundige Arthur Ashkin in de jaren tachtig. In 2018 ontving hij hiervoor de Nobelprijs voor de natuurkunde.
Dat een lichtbundel ergens tegenaan kan duwen, is nog wel voor te stellen. Maar dat zo’n bundel ook kleine deeltjes naar zich toe kan trekken, lijkt tegenintuïtief. Toch kreeg een groep van Amerikaanse en Chinese onderzoekers dit voor elkaar.
Warm en koud
In hun experiment lieten de onderzoekers een laserbundel trekken aan piepkleine siliciumdeeltjes. Hierbij absorberen de deeltjes het laserlicht, waardoor de kant die naar de laserbundel staat opwarmt. Omdat deze deeltjes slecht warmte geleiden, ontstaat er een temperatuurverschil; de ene kant is warm, de andere kant is koud.
Door dit temperatuurverschil kan een elektrisch veld ontstaan. Dat werken de onderzoekers in de hand door de siliciumdeeltjes toe te voegen aan een oplossing van water met cetrimoniumchloride (CTAC). De CTAC-oplossing zorgt ervoor dat er positief en negatief geladen deeltjes aanwezig zijn in de vloeistof. Deze oplossing is zo gekozen dat de negatief geladen deeltjes naar de warme kant van het silicium bewegen en de positief geladen deeltjes naar de koude kant.
Zo ontstaat er aan de warme kant, waar het laserlicht op schijnt, een ophoping van negatieve lading en aan de andere kant een ophoping van positieve lading. Dat veroorzaakt een elektrisch veld. ‘De siliciumdeeltjes zijn zelf positief geladen’, mailt Linhan Lin van de Tsinghua-universiteit in Peking. ‘Die bewegen dus in de richting waar de lichtbundel vandaan komt, onder invloed van het thermo-elektrische veld dat door de opwarming ontstaat.’
Makkelijker sturen met laserlicht
De onderzoekers toonden aan dat ze met deze techniek siliciumdeeltjes van nauwelijks een micrometer groot een afstand van ruim 120 micrometer kunnen trekken. ‘Deze techniek werkt voor alle deeltjes die licht absorberen en slecht warmte geleiden’, zegt Lin. Bovendien kunnen siliciumdeeltjes andere deeltjes meeslepen, als een shuttlebus.
Met deze nieuwe techniek is een optische pincet te maken met een grotere werkafstand. Nu moet je de punt van de pincet vlak bij het molecuul brengen voordat je het kan oppakken. Dat kost tijd als je niet precies weet waar je je molecuul gelaten hebt. Met de nieuwe techniek hoef je het laserlicht enkel in ongeveer de goede richting te schijnen. Dan trekt het deeltje dat je wilt vastpakken vanzelf naar de lichtbundel toe en… hebbes!
Naast gemakkelijker te gebruiken optische pincetten, kan de techniek ook gebruikt worden in lab-on-a-chip-apparaatjes. Daarbij worden kleine vloeistofstroompjes over een chip geleid voor experimenten. Nu worden die stroompjes nog mechanisch rondgepompt. ‘Met de nieuwe techniek kunnen we zulke apparaatjes maken die volledig met licht werken’, zegt Lin.
