home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ TIME: Almanac 1993 / TIME Almanac 1993.iso / time / 123091 / 1230300.000 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-08-28  |  8.8 KB  |  193 lines

  1.                                                                                 SCIENCE, Page 75Adventures in Lilliput
  2.  
  3.  
  4. Extraordinary new laser tools and microscopes are enabling
  5. researchers to observe and manipulate a breathtaking microworld
  6.  
  7. By J. MADELEINE NASH/CHICAGO
  8.  
  9.  
  10.     Think small. Now think smaller still. For in the
  11. lilliputian wonderland that scientists have begun to explore,
  12. a grain of rice looms as large as an asteroid, a droplet of
  13. water as wide as an inland sea.
  14.  
  15.     Using powerful new tools, biologists at the University of
  16. Chicago have gently sliced through a red blood cell to peer at
  17. individual protein molecules clinging to its inner membrane. At
  18. the California Institute of Technology, chemists have watched
  19. in wonder as a hydrogen atom romances an oxygen away from a
  20. carbon dioxide molecule. And at Stanford University, physicist
  21. Steven Chu has mastered techniques for levitating millions of
  22. sodium atoms inside a stainless-steel canister and releasing
  23. them all at once in luminescent fountains. Of late, Chu and his
  24. colleagues have amused themselves by stretching a
  25. double-stranded DNA molecule as taut as a tent rope. When they
  26. release one end, the molecule recoils like a miniature rubber
  27. band. Boing!
  28.  
  29.     Just as improvements in navigational tools opened the
  30. oceans to sailing ships, so a new generation of precision
  31. instruments has exposed a breathtaking microworld to scientific
  32. exploration. Aided by computers that convert blizzards of data
  33. into images on a screen, these instruments are helping
  34. scientists see -- and even tinker with -- everything from living
  35. cells to individual atoms. "This technology is still pretty
  36. crude," marvels Chu. "Who knows what we may be able to do with
  37. it in a few years' time."
  38.  
  39.     Among the instruments generating excitement:
  40.  
  41.  
  42.  
  43.     FEMTOSECOND LASERS. Like strobes flickering across a
  44. submicroscopic dance floor, these devices can freeze the
  45. gyrations of atoms and molecules with flashes of light. The
  46. lasers are being used to study everything from how sodium joins
  47. with other atoms to form salts to how plants convert sunlight
  48. into energy through the process of photosynthesis. Physicists
  49. from California's Lawrence Berkeley Laboratory reported that
  50. they used such a laser to take a "snapshot" of the chemical
  51. reaction that is the first step in visual perception. This
  52. reaction, triggered when light hits the retina of the eye, had
  53. never before been directly observed. And with good reason. The
  54. reaction was clocked by the L.B.L. team at 200 femtoseconds,
  55. which are millionths of a billionth of a second. How fast is
  56. that? Well, in little more than a second, light can travel all
  57. the way from the moon to the earth, but in a femtosecond it
  58. traverses a distance that is but one hundredth the width of a
  59. human hair. "This sort of time scale is almost impossible to
  60. imagine," exclaims L.B.L. director Charles Shank, who helped
  61. pioneer the technology.
  62.  
  63.  
  64.  
  65.     LASER TRAPS. Beams of laser light can also be used to
  66. ensnare groups of atoms, which can then be moved around at will.
  67. But because atoms at room temperature zoom about at supersonic
  68. speed, they first have to be slowed down. In 1985 the invention
  69. of "optical molasses" by a research team at AT&T Bell
  70. Laboratories provided an ingenious solution to the problem. As
  71. its name implies, optical molasses uses light to create enough
  72. electromagnetic "drag" to bring wildly careering atoms to a
  73. screeching halt. Because the atoms lose virtually all their
  74. kinetic energy, they approach the perfect stillness of absolute
  75. zero, the frozen state at which motion ceases.
  76.  
  77.     At such supercold temperatures, scientists believe, matter
  78. may start to exhibit bizarre and interesting new properties.
  79. Certainly, cold atoms can be trapped and manipulated in a
  80. variety of cunning ways. The fountains created by Chu, for
  81. example, are enabling scientists to observe atoms in free fall
  82. and thus measure gravitational force with unprecedented
  83. accuracy. Fountains are also helping scientists measure the
  84. oscillations of cesium atoms more precisely than ever before,
  85. and cesium atoms are to atomic clocks -- the world's most
  86. precise timepieces -- what quartz crystals are to wristwatches.
  87.  
  88.  
  89.  
  90.     OPTICAL TWEEZERS. With a single beam of infrared laser
  91. light, scientists can seize and manipulate everything from DNA
  92. molecules to bacteria and yeast without harming them. Among
  93. other things, optical tweezers can keep a tiny organism swimming
  94. in place while scientists study its paddling flagella under a
  95. microscope. Optical tweezers can also reach right through cell
  96. membranes to grab specialized structures known as organelles and
  97. twirl them around. Currently, researchers are using the
  98. technology to measure the mechanical force exerted by a single
  99. molecule of myosin, one of the muscle proteins responsible for
  100. motion. Scientists are also examining the swimming skill of an
  101. individual sperm. "One day," imagines Michael Berns, director
  102. of the Beckman Laser Institute and Medical Clinic at the
  103. University of California at Irvine, "we may be able to pick up
  104. a live sperm and stuff it right into an egg."
  105.  
  106.  
  107.  
  108.     SCANNING TUNNELING MICROSCOPES. Invented only 10 years
  109. ago, these extraordinary instruments probe surfaces with a
  110. metallic tip only a few atoms wide. At very short distances,
  111. electrons can traverse the gap between the tip and the surface,
  112. a phenomenon known as tunneling. This generates a tiny current
  113. that can be used to move atoms and molecules around with
  114. pinpoint precision. Thus last year physicists from IBM's Almaden
  115. Research Center manipulated 35 xenon atoms on a nickel surface
  116. to spell out their company's logo. They have also fashioned
  117. seven atoms into a minuscule beaker in which they can observe
  118. chemical reactions at an atomic level, and they devised a
  119. working version of a single-atom electronic switch that, in
  120. theory, could replace the transistor. Though some of the
  121. achievements seem whimsical -- constructing a miniature map of
  122. the western hemisphere out of gold atoms, for instance -- such
  123. stunts demonstrate a technique that may eventually be used to
  124. store computer data on unimaginably small devices.
  125.  
  126.  
  127.  
  128.     ATOMIC FORCE MICROSCOPES. Like STMs, these instruments
  129. possess an atomically small tip that resembles a phonograph
  130. needle. An AFM reads a surface by touching it, tracing the
  131. outlines of individual atoms in much the same way a blind person
  132. reads Braille. Because the electromagnetic force applied by the
  133. tip is so small, an AFM can delicately probe a wide range of
  134. surfaces, including the membranes of living cells. Even more
  135. astounding, by applying slightly more pressure, scientists can
  136. use an AFM tip as a dissecting tool that lets them scrape off
  137. the top of cells without destroying their interior structures.
  138. Scientists have used an AFM to detail the biochemical cascade
  139. that results in blood clotting; to examine the atomic structure
  140. of seashells; and to uncover the tiny communication channels
  141. that link one cell to another. "We're looking at scales so
  142. small," says University of Chicago physiologist Morton Arnsdorf,
  143. "they almost defy comprehension."
  144.  
  145.  
  146.  
  147.     Without question, these recent additions to the scientific
  148. tool kit hold tremendous practical promise. A more accurate
  149. atomic clock, for instance, is not just a curiosity. "If we can
  150. put better clocks into orbit," notes William Phillips, a
  151. physicist at the National Institute of Standards and Technology,
  152. "we might improve the global positioning system enough to land
  153. airplanes in pea-soup fog." Even now it is not difficult to
  154. imagine that STMs might be employed by the semiconductor
  155. industry to produce minuscule electronic devices, that optical
  156. tweezers might be used by surgeons to correct defects in a
  157. single cell or that femtosecond lasers might eventually be
  158. harnessed to control, as well as monitor, chemical reactions.
  159. Speculates University of Chicago chemical physicist Steven
  160. Sibener: "In the future, combinations of these magic wands may
  161. become much more powerful than using them one by one."
  162.  
  163.     Such marvels, of course, will not materialize overnight.
  164. Cautions IBM physicist Donald Eigler: "The single-atom switch
  165. looks small until you realize it took a whole roomful of
  166. equipment to make it work.'' Still, computer chips the size of
  167. bacteria and motors as small as molecules of myosin are rapidly
  168. moving out of the world of fantasy and into the realm of
  169. possibility. "For years, scientists have been taking atoms and
  170. molecules apart in order to understand them," says futurist K.
  171. Eric Drexler, president of the Foresight Institute in Palo Alto,
  172. Calif. "Now it's time to start figuring out how to put them
  173. together to make useful things." With such powerful instruments
  174. to help them, scientists and engineers may finally be getting
  175. ready to do just that.
  176.  
  177.  
  178.  
  179.  
  180.  
  181.  
  182.  
  183.  
  184.  
  185.  
  186.  
  187.  
  188.  
  189.  
  190.  
  191.  
  192.  
  193.