Vědci někdy potřebují kontrolovat proces míchání tekutin v tak malých nádobách, že tam nebude možné snížit ani nejtenčí jehlu ani vlasy. Mezitím je velmi důležité řídit rychlost difúze molekul v takzvaných mikroreaktorech, aby bylo možné vytvářet nová účinná léčiva, provádět některé biologické experimenty a dokonce rychle diagnostikovat nemoci. Vědci z univerzity ITMO a jejich kolegové z České akademie věd navrhli tento problém vyřešit pomocí světelné energie.
Biologové, lékárníci a lékárníci dnes stále více používají mikroreaktory, nazývané také laboratoře na čipu. Drobné nádoby s vnitřními drážkami mají velikost od několika krychlových milimetrů do několika krychlových centimetrů - ne větší než krabička na zápalky. Tato malá zařízení však umožňují provádět rychlé krevní testy, míchat mikroskopické dávky látek za účelem získání vysoce účinných léků a provádět experimenty na buňkách.
Při práci s mikroreaktory však existuje jeden problém: vědci nemají prakticky žádný vliv na rychlost míchání nebo, vědecky, na difúzi kapalin a činidel, které vstupují do takové laboratoře na čipu. Vědci z univerzity ITMO společně s kolegy z České republiky navrhli metodologii, která může tento problém vyřešit. Rozhodli se použít k míchání kapalin tzv. Lehký tlak.
Na konci 19. století britský vědec James Maxwell předložil myšlenku, že světlo může vyvíjet tlak na fyzické objekty. Ruský vědec Pyotr Lebedev to brzy ukázal v praxi. Síla tohoto tlaku je však velmi malá a v těchto dnech nebyla využívána. Nyní je do této oblasti zapojena celá větev fyziky - optomechanika (za jejíž vývoj v roce 2018 obdržel Nobelovu cenu profesor Arthur Ashkin). Pomocí světla zachycují živé buňky, přemísťují nejmenší částice hmoty a, jak se ukázalo, stejné síly lze použít k míchání tekutin. Práce vědců je publikována v časopise Advanced Science.
Na základě nejnovějších pokroků v optomechanice vědci z Petrohradu vyvinuli nanoantennu, což je malá krychle z křemíku o velikosti asi dvě stě nanometrů. Toto zařízení, neviditelné pro oko, je schopné ovládat světelnou vlnu, která na něj dopadá. „Naše nanoantenna přeměňuje kruhově polarizované světlo na optický vír,“vysvětluje Alexander Shalin, profesor na Univerzitě Nový Phystech ITMO. „Energie světla se kolem něj víří.“
Kromě nanoantennas vědci navrhli vypustit do kapaliny určité množství nanočástic zlata. Částice zachycené optickým vírem se začnou točit kolem křemíkové krychle, čímž působí jako „lžíce“pro smíchání reagencií. Kromě toho je velikost tohoto systému tak malá, že může zvýšit difúzi faktorem 100 na jednom konci mikroreaktoru, prakticky bez ovlivnění toho, co se děje na druhém.
„Zlato je chemicky inertní materiál, který nereaguje dobře,“říká spoluautor Adria Canos Valero, „a je také netoxický. Kromě toho jsme potřebovali zajistit, aby na nanočástice působily pouze rotační síly a radiační tlak, ale nikoli přitažlivost k nanoantenně, jinak by na ni částice jednoduše přilnuly. Tento efekt je pozorován u částic zlata určité velikosti, pokud na systém svítí obyčejný zelený laser. Uvažovali jsme o jiných kovech, ale například u stříbra jsou tyto účinky pozorovány pouze v ultrafialovém spektru, což je méně výhodné. ““
Materiál poskytovaný ITMO University Press Service
Propagační video:
Vasily Makarov