من وقت لآخر ، يحتاج العلماء إلى التحكم في عملية خلط السوائل في الأوعية كثيرا.
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.
عرض فني للمخطط المقترح للخلط النانوي النشط (يسار) والفصل الشعاعي للجسيمات النانوية (يمين).يضيء مكعب السيليكون النانوي المغمور في محلول مائي بواسطة شعاع ليزر مستقطب دائريا قادما 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.
في وقت مبكر من أواخر القرن 19 ، اقترح العالم البريطاني جيمس كليرك ماكسويل أن الضوءقريبا العالم الروسي بطرس الأكبرومع ذلك ، فإن قوة هذا التفاعل صغيرة جدا ، وفي ذلك الوقت لم يجد أحد فائدة لها.يوجد حاليا مجال كامل من العلوم يسمى ميكانيكا البصريات يركز على هذه الظاهرة ، وفي عام 2018 ، منحت جائزة نوبل للبروفيسور آرثر أشكين لعمله الرائد في هذا المجال.يستخدم الضوء لاحتجاز الخلايا الحية ونقل جزيئات صغيرة من المواد.الآن اتضح أنه يمكن استخدام نفس القوى لخلط السوائل.
"يحول الهوائي النانوي الخاص بنا الضوء المستقطب دائريا إلى دوامة بصرية ، وتدور الطاقة الضوئية حوله."
ألكسندر شالين ، أستاذ ، كلية الفيزياء ، جامعة 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 تتفاعل قليلا.والأكثر من ذلك، أننا كنا بحاجة إلى تصميمه بحيث تؤثر الجسيمات النانوية وضغط الإشعاع فقط على الجسيمات النانوية حتى لا تتسبب القوى الأخرى في سحبها نحو الهوائي، وإلا فإن الجسيمات ستلتصق به.لوحظ هذا التأثير لجزيئات الذهب ذات حجم معين إذا أضيئنا النظام بليزر أخضر تقليدي.لقد تناولنا استخدام فلزات أخرى، ولكن بالنسبة للفضة، على سبيل المثال، هذا التأثيرلوحظ فقط في نطاق الأشعة فوق البنفسجية ، وهو أقل ملاءمة ، ولكن يمكنتكون مفيدة لتحسين كفاءة بعض التفاعلات المنشطة كيميائيا ضوئيا."
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.