Czasami naukowcy muszą kontrolować proces mieszania płynów w tak małych pojemnikach, że nie będzie możliwe opuszczenie tam nawet najcieńszej igły czy nawet włosa. Tymczasem bardzo ważne jest kontrolowanie szybkości dyfuzji cząsteczek w tzw. Mikroreaktorach w celu tworzenia nowych skutecznych leków, przeprowadzania eksperymentów biologicznych, a nawet szybkiego diagnozowania chorób. Naukowcy z ITMO University i ich koledzy z Czeskiej Akademii Nauk zaproponowali rozwiązanie problemu za pomocą energii świetlnej.
Dzisiaj biolodzy, chemicy, farmaceuci coraz częściej używają mikroreaktorów, zwanych również laboratoriami na chipie. Maleńkie pojemniki, usiane rowkami w środku, mają rozmiary od kilku milimetrów sześciennych do kilku centymetrów sześciennych - nie większe niż pudełko zapałek. Niemniej jednak te niewielkie urządzenia umożliwiają wykonywanie szybkich badań krwi, mieszanie mikroskopijnych dawek substancji w celu uzyskania wysoce skutecznych leków oraz przeprowadzanie eksperymentów na komórkach.
Jednak podczas pracy z mikroreaktorami pojawia się jedna trudność: naukowcy praktycznie nie mogą wpływać na szybkość mieszania lub, z naukowego punktu widzenia, dyfuzję cieczy i odczynników, które trafiają do takiego laboratorium na chipie. Naukowcy z ITMO University wraz z kolegami z Czech zaproponowali metodologię, która może rozwiązać ten problem. Postanowili użyć tzw. Lekkiego ciśnienia do mieszania płynów.
Pod koniec XIX wieku brytyjski naukowiec James Maxwell wysunął pomysł, że światło może wywierać nacisk na obiekty fizyczne. Wkrótce pokazał to w praktyce rosyjski naukowiec Piotr Lebiediew. Jednak siła tego nacisku jest bardzo mała iw tamtych czasach nie była używana. Obecnie w tej dziedzinie zajmuje się całą gałęzią fizyki - optomechaniką (za rozwój której w 2018 roku otrzymał Nagrodę Nobla profesor Arthur Ashkin). Za pomocą światła wychwytują żywe komórki, poruszają najmniejsze cząsteczki materii i, jak się okazało, te same siły można wykorzystać do mieszania płynów. Praca naukowców została opublikowana w czasopiśmie Advanced Science.
Opierając się na najnowszych osiągnięciach w optomechanice, naukowcy z Sankt Petersburga opracowali nanoantenę, która jest maleńką kostką krzemu o wielkości około dwustu nanometrów. To niewidoczne dla oka urządzenie jest w stanie kontrolować uderzającą w nie falę świetlną. „Nasza nanoantena przekształca światło spolaryzowane kołowo w wir optyczny” - wyjaśnia Alexander Shalin, profesor na Uniwersytecie ITMO Novy Phystech - „energia światła wiruje wokół niego”.
Oprócz nanoanten naukowcy zaproponowali wprowadzenie do cieczy pewnej ilości nanocząsteczek złota. Cząsteczki wychwycone przez wir optyczny zaczynają wirować wokół kostki krzemu, działając w ten sposób jak „łyżka” do mieszania odczynników. Co więcej, rozmiar tego systemu jest tak mały, że może zwiększyć dyfuzję o współczynnik 100 na jednym końcu mikroreaktora, praktycznie bez wpływu na to, co dzieje się na drugim.
„Złoto jest chemicznie obojętnym materiałem, który nie reaguje dobrze”, mówi współautor Adria Canos Valero, „a także jest nietoksyczny. Ponadto musieliśmy upewnić się, że na nanocząstki działają tylko siły spinowe i ciśnienie promieniowania, a nie przyciąganie do nanoantenny, w przeciwnym razie cząstki po prostu przylgnęłyby do niej. Efekt ten jest obserwowany w przypadku cząstek złota o określonej wielkości, jeśli w układzie świeci zwykły zielony laser. Rozważaliśmy inne metale, ale na przykład w przypadku srebra efekty te są obserwowane tylko w widmie ultrafioletowym, co jest mniej wygodne”.
Materiał udostępniony przez ITMO University Press Service
Film promocyjny:
Wasilij Makarow