Kansainvälinen tutkijaryhmä on osoittanut, että atomit pakkautuvat valon vaikutuksesta lähemmäs toisiaan, mikä saa aineen pienenemään.
Brasilialaisen Estadual de Maringán yliopiston professorin Nelson Astrathin koordinoima tutkijaryhmä on ensimmäinen, joka on onnistunut mittaamaan, kuinka valon voima vaikuttaa aineen sisällä.
Ryhmän tulokset julkaisi Light: Science & Applications -lehti.
Tutkijat mittasivat laservalon voimia ohuessa vesikerroksessa valon kulkusuuntaan nähden poikittaisessa suunnassa. Tällöin he havaitsivat optisen elektrostriktion. Ilmiö tarkoittaa, että materiaali pyrkii tiivistymään valon sähkökentässä.
Ilmiö on sukua magnetostriktiolle, jossa ulkoisen, hitaasti muuttuvan magneettikentän avulla muutetaan metallikappaleen muotoa tai kokoa.
Ilmiötä on tutkittu teoreettisesti, mutta valoon liittyviä kokeita ei ole juuri tehty.
”Myös teoria on ollut optiikassa osin puutteellinen”, kertoo Aalto-yliopiston tutkija Mikko Partanen tiedotteessa.
Partanen oli mukana tutkimuksen teoriaosuudessa.
”Atomit siis pakkautuvat elektrostriktiossa lähemmäs toisiaan ja aine tiivistyy. Ilmiö on vastakkainen säteilyn absorptiosta eli imeytymisestä tavallisesti huoneenlämmössä seuraavalle lämpölaajenemiselle”, Partanen kuvailee.
”Tämän vuoksi aineen tiivistyminen on mitattavissa vain hyvin vähän säteilyä absorboivien aineiden tapauksessa.”
Salaisuutena valon aallonpituuden kontrollointi ja ultrapuhdas vesi
Tutkijat kontrolloivat tarkkaan laservalon aallonpituutta, jotta saisivat absorption minimoitua. Veden lämpölaajenemisen he pyrkivät välttämään käyttämällä kokeessa erittäin puhdasta vettä.
Valon voimia aineen sisällä ei ole aiemmin kyetty mittaamaan, ainoastaan voimia eri aineiden rajapinnoilla.
Tuoreessa kokeessaan tutkijat laittoivat veden lasilevyjen väliin, jolloin veden pinta ei pääse kaareutumaan lasersäteen vaikutuksesta.
Laservalon energiatiheys on suurin säteen keskellä ja laskee nollaan siirryttäessä poispäin säteen akselilta.
Optinen elektrostriktiovoima pyrkii siirtämään atomeja alueelle, jossa kentän energiatiheys on suurin. Tästä syystä neste tiivistyy lähellä säteen akselia.
Nopean tiivistymisen seurauksena vedessä syntyy aineen tihentymistä ja harventumista muodostuva ääniaalto, joka etenee laserpulssin keskeltä säteittäisesti ulospäin.
Optinen kenttä avuksi nanoteknologian sovelluksissa
Tulokset laajentavat fysiikan nobelistin Arthur Ashkinin tutkimusta, jonka perusteella hän kehitti niin kutsutut optiset pinsetit. Pinseteillä voidaan käsitellä pieniä materiaalihiukkasia valon avulla.
Tuore tutkimus auttaa ymmärtämään, miten optisen kentän energiatiheys muokkaa optisissa pinseteissä olevien materiaalihiukkasten sisäistä jännitystilaa.
”Jos optisella elektrostriktiolla opitaan kontrolloimaan aineen mekaanisia ominaisuuksia, sitä voitaisiin hyödyntää optisissa mikrosysteemeissä esimerkiksi biologiassa tai lääketieteessä”, sanoo emeritusprofessori Jukka Tulkki.
Poikittaissuuntaisen ilmiön lisäksi aineen sisällä on myös etenemissuuntaisia optisia voimia, joita ei ole vielä saatu mitattua.
(Kuva Mikko Partanen/Aalto-yliopisto) Taiteilijan näkemys laservalon etenemisestä ohuessa vesikerroksessa.
Tilaa Kemia-lehti loppuvuodeksi 2022 ja auta Ukrainaa!
- Tilaa itsellesi tai lahjaksi läheiselle – 66 euroa.
- Kannusta koululaista tai opiskelijaa lehtilahjalla – 44 euroa.
- Kiitä opettajaa ja lahjoita lehti kouluun – 18 euroa.
- Lahjoitamme puolet tilausmaksusta ukrainalaisten auttamiseen Pelastakaa Lapset ry:n kautta.
