Čas od času vědci potřebují řídit proces míchání kapalin v nádobách
V současné době biologové, chemici a farmaceutimikroreaktory jsou často používány, často integrovány do miniaturních zařízení, které jsou navrženy tak, aby prováděly několik fází chemické syntézy konkrétního produktu, tzv. platformy „laboratoř na čipu“. Tyto malé kontejnery s malými zahloubeními uvnitř mohou mít velikost od několika krychlových milimetrů do několika krychlových centimetrů - ne více než krabička na zápalky. Umožňují však krevní testy, smíchají mikroskopické dávky látek a vytvářejí vysoce účinné léky a provádějí experimenty na buňkách.
Výtvarný pohled na navrhovaný aktivní obvodnanomixing (vlevo) a radiální separace nanočástic (vpravo). Křemíková nanokostka ponořená do vodného roztoku je osvětlena kruhově polarizovaným laserovým paprskem přicházejícím shora.
S nimi však existuje jeden problémpráce: vědci prakticky nekontrolují rychlost míchání nebo, z vědeckého hlediska, difúzi kapalin a činidel uvnitř takových laboratoří na krystalu. Vědci z univerzity ITMO a jejich kolegové z Akademie věd ČR navrhli metodu, která může tento problém vyřešit: rozhodli se použít tzv. Radiační tlak.
Na konci 19. století britský vědec JamesClerk Maxwell navrhl, že světlo může vyvíjet tlak na fyzické předměty. Brzy to dokázal ruský vědec Pyotr Lebedev. Přesto je síla takové interakce velmi malá a v té době pro ni nikdo nenašel využití. Nyní existuje celá vědní oblast zvaná optomechanika, která se zaměřuje na tento fenomén, a v roce 2018 byla udělena Nobelova cena profesoru Arthuru Ashkinovi za průkopnickou práci v této oblasti. Světlo se používá k zachycení živých buněk a pohybu drobných částeček látek. Nyní se ukazuje, že stejné síly lze použít k míchání kapalin.
"Naše nanoanténa mění kruhově polarizované světlo na optický vír a světelná energie se otáčí kolem něj."
Alexander Shalin, profesor na Fyzikální fakultě ITMO
Na základě nejnovějších objevů v oboruoptomechanisté, vědci z Petrohradu vyvinuli nanoantennu skládající se z malé křemíkové kostky o velikosti asi 200 nanometrů. Toto zařízení, neviditelné pro lidské oko, může efektivně ovlivňovat světlo zvláštním způsobem.
Kromě nanoantennas vědci také navrhli zavedenínanočástice zlata v tekutině. Částice zachycené optickým vírem se začnou otáčet kolem krychle křemíku a fungují jako míchací „lžíce“ pro míchání reagencií. Velikost takového systému je navíc tak malá, že může zvýšit difúzi v jednom rohu mikroreaktoru stokrát, prakticky bez ovlivnění toho, co se děje v druhém.
„Zlato je chemicky inertnímálo reagující materiál. Je také netoxický. Navíc jsme to potřebovali navrhnout tak, aby na nanočástice působily pouze nanočástice a tlak záření, aniž by je jiné síly přitahovaly k anténě, jinak by se k ní částice jednoduše přilepily. Tento efekt pozorujeme u zlatých částic určité velikosti, pokud systém osvětlíme běžným zeleným laserem. "Podívali jsme se na jiné kovy, ale například u stříbra je tento efekt pozorován pouze v ultrafialové oblasti, což je méně vhodné, ale může být užitečné pro zvýšení účinnosti některých fotochemicky aktivovaných reakcí."
Adrianos Valero, jeden z hlavních autorů studie
Mimochodem, tato metoda může být použita nejen promíchání tekutin, ale také pro třídění nanočástic zlata: pokud si vědci potřebují pro experiment zvolit zlaté částice určité velikosti, například 30 nanometrů. K dnešnímu dni je systém plně navržen a byl pro něj vyvinut teoretický model. Dalším krokem bude provádění experimentů.