Von Zeit zu Zeit müssen Wissenschaftler den Mischprozess von Flüssigkeiten in den Gefäßen so sehr kontrollieren
Derzeit Biologen, Chemiker und ApothekerOft werden Mikroreaktoren verwendet, die häufig in Miniaturanlagen integriert sind und mehrere Stufen der chemischen Synthese eines bestimmten Produkts durchführen, die sogenannten „Labor-on-a-Chip“ -Plattformen. Diese winzigen Behälter mit kleinen Vertiefungen im Inneren können eine Größe von wenigen Kubikmillimetern bis zu mehreren Kubikzentimetern haben - nicht mehr als eine Streichholzschachtel. Sie ermöglichen jedoch Blutuntersuchungen, mischen mikroskopische Dosen von Substanzen, um hochwirksame Medikamente herzustellen, und führen Experimente an Zellen durch.
Künstlerische Darstellung des vorgeschlagenen Schemas der aktiven Nanomischung (links) und der radialen Trennung von Nanopartikeln (rechts).Ein Silizium-Nanowürfel, der in eine wässrige Lösung getaucht ist, wird von einem zirkular polarisierten Laserstrahl beleuchtet, der von oben kommt.
Es gibt jedoch ein Problem mit ihremArbeit: Wissenschaftler kontrollieren praktisch nicht die Mischgeschwindigkeit oder aus wissenschaftlicher Sicht die Diffusion von Flüssigkeiten und Reagenzien in solchen Labors auf einem Kristall. Wissenschaftler der ITMO-Universität und ihre Kollegen von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften haben eine Methode vorgeschlagen, die zur Lösung dieses Problems beitragen kann: Sie haben sich für den sogenannten Strahlungsdruck entschieden.
Bereits Ende des 19. Jahrhunderts schlug der britische Wissenschaftler James Clerk Maxwell vor, dass LichtBald wurde der russische Wissenschaftler Peter der GroßeDoch die Macht einer solchen Interaktion ist sehr gering, und damals fand niemand eine Verwendung dafür.Derzeit gibt es ein ganzes Wissenschaftsgebiet namens Optomechanik, das sich mit diesem Phänomen beschäftigt, und 2018 wurde der Nobelpreis an Professor Arthur Ashkin für seine Pionierarbeit auf diesem Gebiet verliehen.Licht wird verwendet, um lebende Zellen einzufangen und winzige Stoffpartikel zu bewegen.Nun stellt sich heraus, dass die gleichen Kräfte auch zum Mischen von Flüssigkeiten genutzt werden können.
"Unsere Nanoantenne verwandelt zirkular polarisiertes Licht in einen optischen Wirbel, um den sich die Lichtenergie dreht."
Alexander Shalin, Professor, Fakultät für Physik, ITMO Universität
Basierend auf den neuesten Entdeckungen auf dem GebietOptomechanik haben Wissenschaftler aus St. Petersburg eine Nanoantenne entwickelt, die aus einem winzigen Siliziumwürfel von etwa 200 Nanometern Größe besteht. Dieses für das menschliche Auge unsichtbare Gerät kann das Licht auf besondere Weise wirksam beeinflussen.
Neben Nanoantennen schlugen die Wissenschaftler auch die Einführung von vorGoldnanopartikel in Flüssigkeit. Vom optischen Wirbel eingefangene Partikel beginnen sich um den Siliziumwürfel zu drehen und fungieren als Mischlöffel zum Mischen der Reagenzien. Darüber hinaus ist die Größe eines solchen Systems so klein, dass es die Diffusion in einer Ecke des Mikroreaktors hunderte Male verbessern kann, praktisch ohne das Geschehen in der anderen zu beeinflussen.
"Gold ist ein chemisch inertes Material, das wenig reagiert.Außerdem mussten wir es so konstruieren, dass nur die Nanopartikel und der Strahlungsdruck auf die Nanopartikel einwirken, damit andere Kräfte nicht dazu führen, dass sie zur Antenne gezogen werden, da die Partikel sonst einfach an ihr haften bleiben.Dieser Effekt wird bei Goldpartikeln einer bestimmten Größe beobachtet, wenn wir das System mit einem herkömmlichen grünen Laser beleuchten.Wir haben uns die Verwendung anderer Metalle angesehen, aber für Silber zum Beispiel ist dieser Effektwird nur im ultravioletten Bereich beobachtet, was weniger praktisch ist, abernützlich sein, um die Effizienz einiger photochemisch aktivierter Reaktionen zu verbessern."
Adrianos Valero, einer der Hauptautoren der Studie
Diese Methode kann übrigens nicht nur für verwendet werdenMischen von Flüssigkeiten, aber auch zum Sortieren von Goldnanopartikeln: Wenn Wissenschaftler für das Experiment Goldpartikel einer bestimmten Größe, beispielsweise 30 Nanometer, auswählen müssen. Bis heute ist das System vollständig entworfen und ein theoretisches Modell wurde dafür entwickelt. Die Durchführung von Experimenten wird der nächste Schritt sein.