Reaktivt optisk stof:Lysinduceret bevægelse

Newtons tredje lov dikterer, at kræfter mellem interagerende partikler er ens og modsatte for lukkede systemer. I et ikke-ligevægtsmiljø, den tredje lov kan trodses, giver anledning til "ikke -gensidige" kræfter. Teoretisk set dette blev vist, når det var forskelligt, optisk fangede partikler blev medieret af et eksternt felt. I en nylig undersøgelse, Yuval Yifat og kolleger målte de ikke -gensidige kræfter i elektrodynamisk interaktion, asymmetriske nanopartikeldimerer og nanopartikelaggregater. I forsøgene, nanopartikelstrukturer var begrænset til pseudo endimensionelle geometrier og belyst af plane bølger. Den observerede bevægelse skyldtes bevarelse af total momentum for partikler og felter med brudt spejlsymmetri (repræsenteret ved en ændret bevægelsesretning). Resultaterne er nu offentliggjort den Lys:Videnskab og applikationer .

Evnen til at konvertere lysenergi til selvstyret bevægelse med lysdrevne nanomotorer eller mikromaskiner har allerede tiltrukket stor interesse. En række forskellige metoder inden for optik kan producere rotationsbevægelse eller give anledning til translationel bevægelse med fotoreaktive materialer. Løftet om at konstruere lysdrevne nanomotorer opstod fra nyere teoretisk arbejde, som forudsagde, at forskellige partikler blev belyst af en elektromagnetisk planbølge, vil opleve en ikke -gensidig nettokraft.

De forudsagte ikke -gensidige kræfter blev demonstreret med simuleringer til at variere meget lidt med interpartikelseparation. Imidlertid, ligetil eksperimentelt bevis på fænomenet blev ikke forelagt hidtil. Udforskning af de reaktive optiske effekter kan åbne nye muligheder for selvsamling, lysdrevne mikromaskiner til at indvarsle et nyt felt inden for optik og fotonik.

For at udfylde det eksperimentelle hul, i denne undersøgelse, Yifat et al. demonstreret selvmotilitet ved hjælp af optisk bundne dimerer af uforholdsmæssige metalliske nanopartikler (NP'er). De eksperimentelle fund blev også understøttet af kvantitative elektrodynamiske simuleringer. Bortset fra dimere, forskerne genererede og målte på samme måde bevægelsen af ​​asymmetriske nanopartikelklynger eller samlinger. For at udføre eksperimenterne, Yifat et al. brugte en standard optisk opsamlingsopsætning med en Ti:Sapphire -laser, der opererer ved en bølgelængde på 790 nm. En tæt fokuseret, cirkulært polariseret rumligt fasemoduleret lysstråle dannede en optisk ringfælde.

I undersøgelsen, bevægelsen af ​​en fanget blanding af sølv (Ag) nanopartikler med 150 nm-200 nm diameter blev målt ved hjælp af mørkfeltmikroskopi ved en høj billedhastighed på 290 fps. Partiklerne blev sporet, og deres præcise position, der bruges til at beregne vinkelpositionen (θi) på ringen. Forskerne udførte partikelbilleddannelse og -sporing ved hjælp af værktøjskassen til mosaikpartikelsporing tilgængelig via Image J -software.

Yifat et al. observerede en "heterodimer" af forskellige partikler, hvor den rettet bevægelse af elektrodynamisk interagerende par var mod den større partikel. Omvendt når to partikler af samme størrelse, kaldet en "homodimer" kom i umiddelbar nærhed, rettet bevægelse blev ikke observeret. Resultaterne var i overensstemmelse med de kræfter, der blev beregnet ved hjælp af den generaliserede Mie -teori (GMT). Forskerne observerede ikke fuld eller fri rotation i eksperimentet - det manifesterede drejningsmoment og dets virkning vil blive undersøgt nærmere i fremtidigt arbejde.

Derefter, Yifat et al. afbildede representatives repræsentative tidsbaner _c (parrets centrale vinkel) for heterodimerer og homodimerer. I heterodimerer, bevægelse af parret var rettet mod den større partikel og kunne derfor bevæge sig med eller mod uret, rundt om ringen afhængigt af dens orientering. Forskerne gentog eksperimenterne og kombinerede resultaterne. I de kombinerede data med forskellige heterodimerorienteringer, positiv hastighed blev defineret som vektoren fra den mindre prøve mod den større partikel.

For eksempel, heterodimerne udviste en positiv middelvinkelhastighed ved en optisk bindingsadskillelse på 600 ± 150 nm og en negativ middelvinkelhastighed, når adskillelsen var større ved 900 ± 150 nm. I modsætning, middelvinkelhastigheden for en homodimer var nul for alle separationer. Ændringen i middelhastighed og heterodimerparets bevægelse mod det større, termisk varmere partikel skyldtes det elektromagnetiske felt og ikke på grund af varmeinduceret selv-termophorese (dvs. lokal temperaturgradient genereret på grund af laseradsorption af de metalbelagte partikler).

Resultaterne var enige med tidligere publikationer om lysets asymmetri spredt af optisk fangede objekter. Den simulerede bevægelse blev på samme måde rettet fra den lille partikel til den større partikel. Forskerne observerede en separationsafhængig ubalance af vinkelspredning (hvor mere lys blev spredt i en retning end en anden). Asymmetrien i fjernspredning skabte en kraft på dimeren, sætte den i gang som observeret. Lignende asymmetrisk spredning blev tidligere observeret for plasmonisk nanoantenna. Yifat et al. brugte den samme eksperimentelle tilgang til at studere guld (Au) nanostar dimerer og store asymmetriske aggregater af guld nanopartikler.

På denne måde, forskerne demonstrerede eksperimentelt lysdreven bevægelse af heterodimerer og asymmetriske spredere i optiske ringfælder for at kvantificere ikke-gensidige kræfter i endimensionale plane bølgefelter. Selvom forsøgene var begrænset til en ringfælde i denne undersøgelse, strategien kan overføres til enhver optisk fanget stofstruktur, der udviser elektromagnetisk asymmetri. Den optiske fangst, der blev brugt i undersøgelsen, tilbød løsninger på den eksperimentelle udfordring med at generere rettet bevægelse på nanoskalaen. Ikke-gensidige kræfter i undersøgelsen skabte de selvmotile partikler uden brug af kemiske miljøer, kemiske brændstoffer eller komplekse strukturer.

Den elektrodynamiske teori og simuleringer, der samtidigt blev udført i undersøgelsen, viste også, at interpartikelinteraktioner forårsagede asymmetrisk spredning i heterodimerer. Værket fulgte således grundlæggende Noeters sætning (symmetrien i virkningen af ​​et fysisk system indeholder en tilsvarende bevaringslov). Derfor, Yuvat et al. rationalisere, at den observerede selvmotilitet og de kvantificerede ikke-gensidige kræfter fulgte fra bevarelsen af ​​det samlede momentum af partikler og felter, til systemer med brudt symmetri. Forskerne forestiller sig brugen af ​​sådanne lysdrevne asymmetriske nanopartikelsamlinger som aktive kolloider med kunstige kemotaktiske systemer, og som fuldt operationelle "nanosvømmere" til forskning i blødt kondenseret materiale og biofysik.

© 2018 Science X Network