Oleh: Shahrul Kadri Ayop
Hadiah Nobel Fizik 2019 dijangka diumumkan pada 8 Oktober 2019. Detik ini ditunggu-tunggu dengan penuh debaran bagi komuniti fizikawan seluruh dunia setiap tahun. Hadiah Nobel Fizik bermula pada 1901 dengan penerima pertamanya ialah Wilhelm Conrad Roentgen atas sumbangannya dalam penemuan sinar-X yang kini begitu meluas kegunaan bukan sahaja dalam kajian sains bahan malah dalam bidang perubatan. Sejak itu, lebih 200 fizikawan telah menerima anugerah berpestij ini, sama ada secara perseorangan, atau berkumpulan bagi setiap tahun penganugerahan merangkumi kepada pelbagai bidang subfizik seperti fizik nuklear, fizik semikonduktor, fizik teori dan astrofizik. Pemilihan penerima Hadiah Nobel Fizik ditentukan oleh satu jawatankuasa khas kelolaan Akademi Sains Diraja Sweden. Penerima Hadiah Nobel Fizik menerima sejumlah wang hasil dari dana Yayasan Nobel yang diwariskan oleh Alfred Nobel, iaitu seorang ahli kimia, jurutera dan pereka cipta warganegara Sweden.
Antara penerima-penerima Hadiah Nobel Fizik, Arthur Ashkin adalah sarjana Nobel kegemaran saya. Beliau merupakan penerima tertua iaitu 96 tahun pada tahun penganugerahan 2018 atas sumbangannya iaitu “untuk penyepit optik dan kegunaannya dalam sistem biologi”. Saya sudah pun mengagumi beliau sebelum beliau dianugerahkan Hadiah Nobel Fizik 2018.
Kajian beliau bermula dengan kira congak kesan cahaya terhadap mikrozarah yang dinamai tekanan radiasi pada tahun 1969. Jika kita bayangkan cahaya terdiri dari bola-bola kecil yang bergerak, maka ia membawa momentum yang boleh menghentam apa jua dihadapan laluannya. Kita tidak dapat merasa kesan daya dari tekanan radiasi cahaya matahari atau lampu syiling kerana kekuatannya sangatlah kecil. Namun begitu, daya ini memberi kesan yang signifikan pada zarah kecil bersaiz nanometer sehingga mikrometer (atom, molekul, mikroorganisma).
Dengan kemajuan teknologi laser, susun atur yang lebih mudah dapat dibina menggunakan alur laser terfokus untuk memegang mikrozarah terampai dalam medium bendalir. Pada tahun 1985, istilah penyepit optik mula digunakan bagi mewakili teknik pemerangkapan mikrozarah menggunakan alur laser tunggal terfokus. Mulai 1987, laser inframerah dalam penyepit optik mula digunakan untuk sampel biologi seperti sperma, motor molekul dan DNA. Laser inframerah kurang memberikan kesan terma membolehkan mikrob atau sel biologi yang dimanipulasi dapat dipegang tanpa sentuhan mekanik dan tanpa musnah. Ini berbeza dengan penggunaan mikrojarum dan julur mikroskop daya atom yang menyebabkan kerosakan pada sampel yang lembut.
Gambar rajah menunjukkan susunan asas penyepit optik. Laser difokuskan oleh objektif mikroskop untuk memerangkap zarah pada satah sampel.
Arthur Ashkin menjangkakan tekanan radiasi dapat memanipulasi atom menggunakan laser berkeamatan tinggi. Pada 1997, Hadiah Nobel Fizik dianugerahkan kepada Chu, Cohen-Tannoudji, dan Phillips in 1997 “untuk pembangunan kaedah untuk menyejuk dan memerangkap atom dengan cahaya laser.” Pada awalnya, Chu dan Ashkin sama-sama memulakan eksperimen penyejukan atom. Apa yang mengkagumkan saya ialah Ashkin sendiri meraikan kejayaan Chu dan rakan-rakannya walaupun pada asalnya beliaulah peneraju kepada tekanan radiasi. Inilah semangat setiakawan ahli sains dan cinta sains. Tatkala umurnya sudah mencecah 96 tahun, beliau masih lagi aktif menjalankan penyelidikan.
Kini, penggunaan penyepit optik semakin meluas dalam pelbagai bidang sains. Penyepit optik bukan sahaja boleh bertindak sebagai alat kawalan mikro, malah kini sebagai mikrosensor. Sebagai contoh, penyepit optik dapat membezakan sel tunggal darah merah yang dijangkiti malaria dengan sel darah normal dalam kurang satu jam berbanding kaedah biasa yang memerlukan masa lebih lama dan sampel zarah beberapa mililiter.
Saya sendiri mula mengenali penyepit optik ketika melanjutkan pelajaran di Universiti Leipzig, Jerman melalui disertasi Sarjana bertajuk “Rintangan alir pada manik tunggal berselaput DNA menggunakan penyepit optik” di bawah seliaan Frederich Kremer yang memfokus kepada kajian penggunaan penyepit optik dalam fizik polimer.
Video berikut menunjukkan kajian terkini kumpulan kami di Makmal Optik Gunaan, Universiti Pendidikan Sultan Idris dalam memanipulasi molekul bersaiz 3 mikron menggunakan laser inframerah. Molekul boleh diputarkan dengan bebas menggunakan teknik pengutuban cahaya membulat.
Kronologi penyelidikan Arthur Ashkin yang berubah dari kajian nuklear untuk ijazah kedoktorannya, kemudian kajian optik di Makmal Bell untuk pascakedoktorannya seterusnya menjurus kepada aplikasi penyepit optik dalam sistem biologi menjadi inspirasi buat saya untuk tidak terhad kepada satu-satu bidang kajian malah lebih fleksibel dalam teruskan pencarian ilmu sains pelbagai kajian-kajian yang menarik dengan sumber yang terhad.
Jika 2018 untuk bidang optik, bidang subfizik apakah yang akan menerima pengiktirafan dunia untuk Hadiah Nobel Fizik 2019? Kita nantikan.
Sumber:
Daftar istilah:
Penyepit optik – optical tweezers
Tekanan radiasi – radiation pressure
Mikroskop daya atom – atomic force microscope
Inframerah – infrared
Fizikawan = physicist
