ΟΠΤΙΚΗ

Χρειάστηκαν δέκα χρόνια ώσπου το διαστημικό σκάφος «Ροζέτα» να φτάσει στις 12 Νοεμβρίου του 2014 στον κομήτη Τσούρι (Tschurjumow-Gerassimenko) - σε απόσταση 500 εκατομμυρίων χιλιομέτρων από τη Γη. Οι κομήτες είναι κυρίως γνωστοί για τη χαρακτηριστική ουρά τους.

Όμως αυτή τη φορά οι επιστήμονες ενδιαφέρονται περισσότερο για τον παγωμένο πυρήνα του κομήτη. Η ειδική κάμερα που δημιούργησαν οι ερευνητές του Ινστιτούτου Max-Planck στον θάλαμο του διαστημόπλοιου στέλνει στη Γη εντυπωσιακές εικόνες. Η πτήση των δεδομένων μέσω του διαστήματος διαρκεί ακριβώς 28 λεπτά και 20 δευτερόλεπτα. Ποτέ πριν δεν είχαμε δει τόσες λεπτομέρειες. Ακόμη και με τα καλύτερα τηλεσκόπια δεν ήταν ορατές από τη Γη.

Το διαστημικό σκάφος «Ροζέτα» στον κομήτη Τσούρι (κολλάζ)

Πού βρίσκονται τα σύνορα της όρασης; Το 1873 ο Γερμανός φυσικός Ernst Abbe υπολόγισε ότι ένα οπτικό μικροσκόπιο μπορεί να δείξει μόνο λεπτομέρειες που απέχουν μεταξύ τους τουλάχιστον μισό μήκος κύματος του φωτός. Έτσι οι φυσικοί πίστευαν για μεγάλο χρονικό διάστημα ότι η ανάλυση ενός οπτικού μικροσκοπίου δεν μπορεί να ξεπεράσει τα 200 νανόμετρα.

Το 1999 όμως το σύνορο αυτό ξεπεράστηκε. Το μικροσκόπιο STED, που κατασκεύασε ο φυσικός Stefan Hell από το Göttingen, δείχνει λεπτομέρειες μεγέθους λίγων μόλις νανομέτρων. Αυτό επιτυγχάνεται με ένα τρικ: Οι μικροδομές διεγείρονται ώστε να εκπέμπουν φως και στη συνέχεια ένα μέρος αυτού του φωτός ακυρώνεται ξανά με μια ειδική δέσμη λέιζερ. Έτσι, τα μόρια που απέχουν ελάχιστα από τα προς έρευνα μόρια εμποδίζονται να επισκιάσουν τα τελευταία με το φως τους.

Ένα νανόμετρο είναι 0,000000001 του μέτρου. Επομένως ένα μικροσκόπιο STED είναι δέκα έως εκατό φορές ακριβέστερο από ένα κλασικό οπτικό μικροσκόπιο.
» Βίντεο: Φωτεινές ματιές στο νανόκοσμο με μικροσκόπιο STED

Μόρια πρωτεΐνης σε κύτταρο, συμβατικό μικροσκόπιο (πάνω)

και μικροσκόπιο STED (κάτω)

Πώς σκεπτόμαστε, αισθανόμαστε και μαθαίνουμε; Ερωτήσεις που θα μπορέσουμε να απαντήσουμε, μόνον όταν κατανοήσουμε πλήρως τη δομή και τη λειτουργία του εγκεφάλου. Θα χρειαστεί όμως να κάνουμε ορατά τα νευρικά κύτταρα και τη δράση τους. Το 1980 ο βιοφυσικός Winfried Denk βελτίωσε το οπτικό μικροσκόπιο δημιουργώντας το μικροσκόπιο φθορισμού δύο φωτονίων. Ένα λέιζερ εκπέμπει στο εξεταζόμενο δείγμα φωτόνια, δηλαδή σωματίδια φωτός, ώστε σε ένα προσδιορισμένο σημείο να υπερκαλυφθούν και να ενισχυθούν. Με αυτόν τον τρόπο οι ερευνητές έχουν τη δυνατότητα εκτός των άλλων να εισχωρήσουν σχεδόν ένα χιλιοστόμετρο στο ζωντανό εγκεφαλικό ιστό και έτσι να παρατηρήσουν άμεσα τον εγκέφαλο την ώρα που «εργάζεται».

Τα νέα ευρήματα της φωτονικής μικροσκοπίας ανοίγουν μεγάλες προοπτικές ιδίως στην έρευνα του εγκεφάλου. Γιατί σε αντίθεση με την ηλεκτρονική μικροσκοπία μπορούμε να ερευνήσουμε ζωντανά κύτταρα και ιστούς.

Ζωντανά κύτταρα αμφιβληστροειδούς σε μικροσκόπιο φθορισμού δύο φωτονίων

Έμπολα, Aids, ευλογιά, ιλαρά και γρίπη – πολλές επικίνδυνες ασθένειες μεταδίδονται μέσω ιών. Ωστόσο χρειάζεται να περάσουν αρκετά χρόνια, μέχρι οι ερευνητές να μπορέσουν να αναγνωρίσουν τους παθογόνους αυτούς μικροοργανισμούς. Και αυτό επειδή οι ιοί είναι πάρα πολύ μικροί, πολύ μικρότεροι και από τα βακτήρια. Κάτω από το κλασικό οπτικό μικροσκόπιο οι ιοί δεν είναι ορατοί.

Μόνο το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, μια ανακάλυψη του Γερμανού φυσικού Ernst Ruska, έκανε δυνατή το 1931 την οπτική πρόσβαση στο νανόκοσμο. Αντί για φως ο Ruska χρησιμοποίησε ηλεκτρονική ακτινοβολία βραχέων κυμάτων. Μαζί με τον ιατρό αδελφό του, Helmut Ruska, ο φυσικός κατόρθωσε για πρώτη φορά, να παρατηρήσει και να ταξινομήσει τους ιούς. Το 1986 ο Ernst Ruska έλαβε για την ανακάλυψη αυτή το βραβείο Νομπέλ Φυσικής.

Τα σύγχρονα ηλεκτρονικά μικροσκόπια επιτυγχάνουν ανάλυση έως και 0,1 νανομέτρων δίνοντας, για παράδειγμα, στους ερευνητές τη δυνατότητα να εξετάζουν λεπτομερώς τις πρωτεΐνες.

Ο Ernst Ruska στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, περί το 1955

Σύγχρονο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο

Το 1846 ο Βερολινέζος αστρονόμος Johann Gottfried Galle ανακάλυψε τον πλανήτη Ποσειδώνα. Το τηλεσκόπιο που χρησιμοποίησε ήταν το καλύτερο της εποχής του. Προερχόταν από το εργαστήριο του Βαυαρού οπτικού Joseph von Fraunhofer - ο μοναδικός στις αρχές του 19ου αι. που μπορούσε να κατασκευάσει φακούς υψηλής ποιότητας, χωρίς ανωμαλίες και φυσαλίδες.

Τα σύγχρονα τηλεσκόπια είναι πολλαπλώς βελτιωμένα. Το πολύ μεγάλο τηλεσκόπιο (Very Large Telescope - VLT) για παράδειγμα, που αποτελείται από τέσσερα μεγάλα τηλεσκόπια συνδεδεμένα μεταξύ τους, θα μπορούσε να διακρίνει ως χωριστά φωτεινά στίγματα τους προβολείς ενός αυτοκινήτου στο φεγγάρι. Επιστήμονες του Ινστιτούτου Max-Planck ερευνούν αυτή την εποχή τη μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία μας με το VLT.

Σα να μπορούμε να πιάσουμε τα αστέρια στον καθαρό ουρανό πάνω από την έρημο

Το τηλεσκόπιο VLT στην έρημο Ατακάμα στη Χιλή