Використання градієнта температур підвищило ефективність оптичного пінцету

Фізики розробили новий тип оптичного пінцету, який працює за рахунок створення в системі градієнтів температурного та електричного полів. Метод заснований на додаванні в систему заряджених поверхнево-активних речовин і дозволяє захоплювати і переміщати нано- і мікрочастинки за допомогою лазерних пучків потужністю на 2-3 порядку нижче, ніж у сучасних оптичних пінцетах, пишуть вчені в.

Захоплення і переміщення мікрооб'єктів неконтактними способами за допомогою зовнішніх полів - один з критично важливих методів при біологічному аналізі або при дослідженні властивостей колоїдних систем. Зараз один з найбільш ефективних інструментів для таких цілей - оптичні пінцет, дія якого заснована на взаємодії поляризованих об'єктів зі світлом. Електричне поле в лазерному пучку призводить до поляризації діелектричних об'єктів, і виникаючу різність потенціалів можна використовувати, щоб зафіксувати положення цих частинок і пересунути їх в потрібне місце.

Фізики з США, Іспанії та Туреччини під керівництвом Юебіна Чжена (Yuebing Zheng) з Техаського університету в Остіні запропонували модифікувати стандартну методику оптичного пінцету за рахунок використання температурного поля, яке виникає при нагріванні поверхонь або розчину під дією лазера. Принцип роботи розробленого авторами оптотермоелектричного пінцету заснований на термофоретичному русі заряджених частинок та іонів під дією градієнта температур, який створюється всередині і навколо пучка лазера.

Щоб таким чином можна було керувати положенням, наприклад, металевих нано- або мікрочастинок, вчені запропонували поміщати ці частинки у водний розчин поверхнево-активної речовини. Частина молекул речовини осаджується на поверхню досліджуваних металевих частинок у вигляді подвійного шару, заряджаючи таким чином поверхню, а інша частина - залишається в розчині, формуючи міцелли - зовсім невеликі сферичні крапельки із зарядженою поверхнею.

Якщо цей розчин помістити над металевою поверхнею з термоплазмонними властивостями, то при опроміненні її лазерним пучком в ній утворюється теплове поле з вираженим перепадом температур. Ці заряджені міцелли разом з іонами хлору за рахунок дифузії реагували на градієнт лазера температурного поля, що утворюється в пучці, що призводило до виникнення в системі стійкого електричного поля, яке в свою чергу призводило до захоплення самої металевої частинки.

Запропонований метод вчені перевірили на золотих і срібних наночастинках розміром близько 100 нанометрів, що знаходяться в колоїдному розчині цетилтриметиламмонійхлориду, який використовувався в якості поверхнево-активної речовини. Як нанопінцет фізики використовували лазерний пучок з довжиною хвилі 532 нанометри, потужністю від 0,05 до 0,4 мікровата на квадратний мікрометр і діаметром близько 2 мікрометрів. При опроміненні золотої підкладки такий пінцет створює різницю температур близько 12 градусів Цельсія.

За допомогою цього пінцету дослідникам вдалося успішно захопити обидва типи металевих частинок, а також перемістити їх на відстань понад сто мікрометрів. При цьому вчені відзначають, що домогтися цього можна за допомогою лазера потужністю приблизно на 2-3 порядку менше, ніж у тих пучків, які використовуються в традиційних оптичних пінцетах.

Крім цього, з використанням запропонованого методу вчені змогли зафіксувати в заданих позиціях відразу кілька металевих частинок одночасно, розташувавши їх по вершинах правильних трикутника або шестикутника, а також захопити сильно анізотропну срібну наночастинку і орієнтувати її заздалегідь заданим чином.

Дослідження аналогічних систем за допомогою методів комп'ютерного моделювання і кількісні експериментальні оцінки підтверджують, що захоплення частинок відбувається саме за описаним вченими механізмом. При цьому автори роботи зазначають, що у всіх попередніх модифікаціях оптичного пінцету нагрів речовини під дією лазера ніяк не використовувався, запропонована ними схема - перша, яка використовує для захоплення саме температурні градієнти. За словами фізиків, у майбутньому розроблений метод можна використовувати для захоплення і переміщення дуже різноманітних за своєю природою об'єктів: проводять і напівпровідникових частинок з різними властивостями поверхонь, а також біологічних об'єктів, зокрема макромолекулярних структур і клітин.

За допомогою світлового потоку можна переміщати окремі частинки іноді досить незвичайним чином. Наприклад, нещодавно китайські фізики показали, що за допомогою єдиного лазерного пучка можна одночасно штовхати і тягнути одну і ту ж золоту платівку. За рахунок того, що сили тяжіння відштовхування при цьому мають різну природу освітлюваний об'єкт можна змусити бігати туди-сюди.