قررت ITMO مزج السوائل في المفاعلات الدقيقة مع الضوء و nanoantennas

يحتاج العلماء من وقت لآخر إلى التحكم في عملية خلط السوائل في الأوعية

الصغيرة التي لا تفعلها إبرة رفيعة أو حتى شعرتناسب هناك. في الوقت نفسه ، يعد التحكم في معدل انتشار الجزيئات في ما يسمى بالمفاعلات الدقيقة أمرًا مهمًا للغاية لتطوير عقاقير جديدة ، وإجراء التجارب البيولوجية ، وحتى لإجراء اختبارات سريعة للكشف عن الأمراض. اقترح علماء من جامعة ITMO وزملائهم من الأكاديمية التشيكية للعلوم حل هذه المشكلة بمساعدة الطاقة الخفيفة.

حاليا علماء الأحياء والكيميائيين والصيادلةغالبًا ما يتم استخدام المفاعلات الدقيقة ، وغالبًا ما يتم دمجها في مصانع مصغرة ، والتي تم تصميمها لإجراء عدة مراحل من التوليف الكيميائي لمنتج معين ، ما يسمى منصات "المختبر على رقاقة". يمكن أن تتراوح هذه الحاويات الصغيرة ذات المسافات البادئة الصغيرة من الداخل من بضعة مليمترات مكعبة إلى عدة سنتيمترات مكعبة - ليس أكثر من علبة الثقاب. ومع ذلك ، فهي تسمح بإجراء فحوصات الدم وخلط الجرعات المجهرية من المواد لإنشاء أدوية فعالة للغاية وإجراء تجارب على الخلايا.

نظرة فنية للنشاط المقترحخلط النانو (يسار) والفصل الشعاعي للجسيمات النانوية (يمين). يضيء أنبوب نانوي من السيليكون مغمور في محلول مائي بواسطة شعاع ليزر مستقطب دائريًا ينتقل من الأعلى.

ومع ذلك ، هناك مشكلة واحدة معالعمل: لا يتحكم العلماء عمليًا في سرعة الخلط ، أو من وجهة نظر علمية ، نشر السوائل والكواشف داخل هذه المختبرات على بلورة. اقترح علماء من جامعة ITMO وزملائهم من الأكاديمية التشيكية للعلوم طريقة يمكن أن تساعد في حل هذه المشكلة: قرروا استخدام ما يسمى ضغط الإشعاع.

مرة أخرى في نهاية القرن التاسع عشر ، العالم البريطاني جيمساقترح الكاتب ماكسويل أن الضوء يمكن أن يضغط على الأشياء المادية. وسرعان ما أثبت العالم الروسي بيتر ليبيديف ذلك. ومع ذلك ، فإن قوة هذا التفاعل صغيرة جدًا ، وفي ذلك الوقت لم يجد أحد أي فائدة في ذلك. حاليًا ، هناك مجال كامل من العلوم يسمى ميكانيكا البصريات يركز على هذه الظاهرة ، وفي عام 2018 ، تم منح جائزة نوبل للأستاذ آرثر أشكين لعمله المبتكر في هذا المجال. يستخدم الضوء لالتقاط الخلايا الحية وتحريك جسيمات دقيقة من المادة. الآن اتضح أنه يمكن استخدام نفس القوى لخلط السوائل.

"يحول nanoantenna الخاص بنا الضوء المستقطب دائريًا إلى دوامة بصرية ، وتدور طاقة الضوء حوله."

ألكسندر شالين ، أستاذ ، قسم الفيزياء ، ITMO

بناء على أحدث الاكتشافات في هذا المجالميكانيكيو البصريات ، طور علماء من سان بطرسبرج هوائيًا نانويًا يتكون من مكعب سيليكون صغير يبلغ حجمه حوالي 200 نانومتر. هذا الجهاز ، غير المرئي للعين البشرية ، يمكن أن يؤثر بشكل فعال على الضوء بطريقة خاصة.

بالإضافة إلى nanoantennas ، اقترح العلماء أيضا إدخالجزيئات الذهب النانوية في السائل. تبدأ الجسيمات التي تلتقطها الدوامة الضوئية في الدوران حول مكعب السيليكون ، وتعمل بمثابة "ملعقة" خلط لخلط الكواشف. علاوة على ذلك ، فإن حجم مثل هذا النظام صغير جدًا لدرجة أنه يمكن أن يعزز الانتشار في أحد أركان المفاعل الصغير مئات المرات ، عمليًا دون التأثير على ما يحدث في الآخر.

"الذهب مادة خاملة كيميائيا ،الذي يتفاعل قليلا. كما أنها غير سامة. علاوة على ذلك ، كنا بحاجة إلى تصميمه بحيث تعمل الجسيمات النانوية وضغط الإشعاع فقط على الجسيمات النانوية بحيث لا تجبرها القوى الأخرى على الوصول إلى الهوائي ، وإلا فإن الجسيمات ستلتصق به ببساطة. يلاحظ هذا التأثير لجزيئات الذهب ذات الحجم المعين إذا قمنا بإضاءة النظام بالليزر الأخضر التقليدي. لقد درسنا استخدام معادن أخرى ، ولكن بالنسبة للفضة ، على سبيل المثال ، لوحظ مثل هذا التأثير فقط في نطاق الأشعة فوق البنفسجية ، وهو أقل ملاءمة ، ولكنه قد يكون مفيدًا لزيادة كفاءة بعض التفاعلات التي يتم تنشيطها ضوئيًا ".

أدريانوس فاليرو ، أحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة

بالمناسبة ، يمكن استخدام هذه الطريقة ليس فقطخلط السوائل ، ولكن أيضًا لفرز جزيئات الذهب النانوية: إذا كان العلماء بحاجة إلى اختيار جزيئات الذهب بحجم معين ، على سبيل المثال ، 30 نانومترًا ، للتجربة. حتى الآن ، تم تصميم النظام بالكامل ، وتم تطوير نموذج نظري له. إجراء التجارب سيكون الخطوة التالية.