Lasermekanisme fundet i vanddråber

Små molekylære kræfter på overfladen af ​​vanddråber kan spille en stor rolle i laseroutputemissioner. Som livets mest fundamentale matrix, vand driver adskillige væsentlige biologiske aktiviteter, gennem interaktioner med biomolekyler og organismer. At studere de mekaniske effekter af vand-involverede interaktioner bidrager til forståelsen af ​​biokemiske processer. Ifølge Yu-Cheng Chen, professor i elektronik ved Nanyang Technological University (NTU), "Når vand interagerer med en overflade, hydrofobiciteten ved bio-grænsefladen bestemmer hovedsageligt vandets mekaniske ligevægt. Molekylær hydrofobicitet ved grænsefladen kan tjene som grundlag for overvågning af subtile biomolekylære interaktioner og dynamik."

Vanddråber er blevet brugt til at danne biologiske mikrolasere, der udnytter vands iboende evne til at begrænse lys med minimal spredning. Dråbelasere drager fordel af laseroscillation i et mikrohulrum, så alle subtile ændringer induceret af forstærkningsmediet eller kaviteten kan forstærkes, fører til dramatiske ændringer af laseremissionskarakteristika. Mens dråbelasere er blevet banebrydende platforme inden for biokemiske/fysiske undersøgelser og biomedicinske applikationer, den optiske interaktion mellem dråberesonatorer og en grænseflade er forblevet ukendt.

Som rapporteret i Avanceret fotonik , Chens NTU-hold opdagede for nylig, at når en vanddråbe interagerer med en overflade for at danne en kontaktvinkel, grænseflademolekylære kræfter bestemmer geometrien af ​​en dråberesonator. Dramatiske mekaniske ændringer ved grænsefladen spiller en væsentlig rolle i den optiske oscillation af dråberesonatorer.

Chens gruppe opdagede en oscillationsmekanisme af dråberesonatorer, hvor laseren resonerer langs dråbe-luft-grænsefladen i det lodrette plan. Chen bemærker, at denne vertikalt orienterede 'regnbuelignende' eller 'buelignende' lasertilstand reflekterer frem og tilbage mellem de to ender af dråbegrænsefladen, danner en unik og ekstrem stærk laseremission. Chens team bemærkede, at i modsætning til den almindeligt set hviskegalleri-tilstand (WGM), denne nyopdagede lasermekanisme er meget mere følsom over for grænseflademolekylære kræfter. Ifølge Chen, "Lasende emissioner fra denne bue-lignende tilstand øges dramatisk med stigningen af ​​grænsefladehydrofobicitet, samt dråbekontaktvinkel."

Forsøger at forklare dette modulerende fænomen, Chens team fandt også ud af, at kvalitetsfaktoren for nye lasertilstande steg markant med en stigende kontaktvinkel for dråber. Og antallet af oscillationsveje for lasermodi i dråber steg dramatisk. "Sammen, disse to faktorer bestemmer forbedringen af ​​laseremissioner med styrken af ​​grænseflademolekylære kræfter, " siger Chen.

Baseret på deres opdagelse, Chens team undersøgte muligheden for at anvende dråbelasere til at registrere mekaniske ændringer ved biogrænseflader. Som forventet, de fandt ud af, at en lille ændring af grænsefladebiomolekylære kræfter, induceret af en meget lav koncentration af biomolekyler, såsom peptider eller proteiner, kan registreres ved laseremissioner fra dråbelasere.

Ifølge Chen, "Dette arbejde demonstrerer en vigtig modulerende mekanisme i dråberesonatorer og viser potentialet for at udnytte optiske resonatorer til at forstærke ændringerne af intermolekylære kræfter." Indsigt i lasermekanismer åbner nye muligheder for at bruge mikrolasere til at studere biomekaniske interaktioner og grænsefladefysik. Da dråbelasere kan give en ny platform til at studere de intermolekylære fysiske interaktioner ved grænsefladen, de kunne være særligt nyttige til at undersøge hydrofobe interaktioner, som spiller en afgørende rolle i talrige fysiske dynamikker og biologiske systemer.