Από καιρό σε καιρό, οι επιστήμονες πρέπει να ελέγχουν τη διαδικασία ανάμειξης υγρών σε δοχεία έτσι
Επί του παρόντος βιολόγοι, χημικοί και φαρμακοποιοίΟι μικροαντιδραστήρες χρησιμοποιούνται συχνά, συχνά ενσωματώνονται σε μικροσκοπικά φυτά, τα οποία έχουν σχεδιαστεί για να εκτελούν διάφορα στάδια χημικής σύνθεσης ενός συγκεκριμένου προϊόντος, τις λεγόμενες πλατφόρμες «εργαστήριο-σε-ένα-τσιπ». Αυτά τα μικροσκοπικά δοχεία με μικρές εσοχές στο εσωτερικό μπορεί να κυμαίνονται σε μέγεθος από μερικά κυβικά χιλιοστά έως αρκετά κυβικά εκατοστά - όχι περισσότερο από ένα κουτί. Ωστόσο, επιτρέπουν εξετάσεις αίματος, αναμιγνύουν μικροσκοπικές δόσεις ουσιών για τη δημιουργία εξαιρετικά αποτελεσματικών φαρμάκων και διεξάγουν πειράματα σε κύτταρα.
Καλλιτεχνική άποψη του προτεινόμενου ενεργού κυκλώματοςνανομίξη (αριστερά) και ακτινικός διαχωρισμός νανοσωματιδίων (δεξιά). Ένας νανοκύβος πυριτίου βυθισμένος σε υδατικό διάλυμα φωτίζεται από μια κυκλικά πολωμένη δέσμη λέιζερ που προέρχεται από πάνω.
Ωστόσο, υπάρχει ένα πρόβλημα με τουςεργασία: οι επιστήμονες πρακτικά δεν ελέγχουν την ταχύτητα ανάμιξης ή, από επιστημονική άποψη, τη διάχυση υγρών και αντιδραστηρίων μέσα σε τέτοια εργαστήρια πάνω σε κρύσταλλο. Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο ITMO και οι συνεργάτες τους από την Τσεχική Ακαδημία Επιστημών πρότειναν μια μέθοδο που μπορεί να βοηθήσει στην επίλυση αυτού του προβλήματος: αποφάσισαν να χρησιμοποιήσουν τη λεγόμενη πίεση ακτινοβολίας.
Στα τέλη του 19ου αιώνα ο Βρετανός επιστήμονας ΤζέιμςΟ Clerk Maxwell πρότεινε ότι το φως θα μπορούσε να ασκήσει πίεση σε φυσικά αντικείμενα. Σύντομα ο Ρώσος επιστήμονας Pyotr Lebedev το απέδειξε αυτό. Ωστόσο, η δύναμη μιας τέτοιας αλληλεπίδρασης είναι πολύ μικρή, και εκείνη τη στιγμή κανείς δεν τη χρησίμευε. Υπάρχει πλέον ένα ολόκληρο πεδίο επιστήμης που ονομάζεται οπτομηχανική που εστιάζει σε αυτό το φαινόμενο και το 2018 το βραβείο Νόμπελ απονεμήθηκε στον καθηγητή Arthur Ashkin για το πρωτοποριακό του έργο σε αυτόν τον τομέα. Το φως χρησιμοποιείται για τη σύλληψη ζωντανών κυττάρων και τη μετακίνηση μικροσκοπικών σωματιδίων ουσιών. Τώρα αποδεικνύεται ότι οι ίδιες δυνάμεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάμειξη υγρών.
«Η νανοκεραία μας μετατρέπει το κυκλικά πολωμένο φως σε μια οπτική δίνη και η φωτεινή ενέργεια περιστρέφεται γύρω της».
Alexander Shalin, καθηγητής στο ITMO Faculty of Physics
Με βάση τις τελευταίες ανακαλύψεις στον τομέαοπτομηχανικοί, επιστήμονες από την Αγία Πετρούπολη έχουν αναπτύξει μια νανοαντίνα που αποτελείται από έναν μικροσκοπικό κύβο πυριτίου με μέγεθος περίπου 200 νανόμετρα. Αυτή η συσκευή, αόρατη στο ανθρώπινο μάτι, μπορεί να επηρεάσει αποτελεσματικά το φως με έναν ειδικό τρόπο.
Εκτός από τις νανοαντένες, οι επιστήμονες πρότειναν επίσης την εισαγωγή τουνανοσωματίδια χρυσού σε υγρό. Τα σωματίδια που συλλαμβάνονται από την οπτική δίνη αρχίζουν να περιστρέφονται γύρω από τον κύβο του πυριτίου, ενεργώντας ως «κουτάλι» ανάμιξης για την ανάμιξη των αντιδραστηρίων. Επιπλέον, το μέγεθος ενός τέτοιου συστήματος είναι τόσο μικρό που μπορεί να ενισχύσει τη διάχυση σε μια γωνία του μικροαντιδραστήρα εκατοντάδες φορές, πρακτικά χωρίς να επηρεάζει αυτό που συμβαίνει στην άλλη.
«Ο χρυσός είναι χημικά αδρανήςυλικό που αντιδρά ελάχιστα. Είναι επίσης μη τοξικό. Επιπλέον, χρειαζόταν να το σχεδιάσουμε έτσι ώστε μόνο τα νανοσωματίδια και η πίεση της ακτινοβολίας να ενεργούν στα νανοσωματίδια χωρίς άλλες δυνάμεις να τα αναγκάζουν να έλκονται προς την κεραία, διαφορετικά τα σωματίδια απλά θα κολλούσαν σε αυτήν. Αυτό το φαινόμενο παρατηρείται για σωματίδια χρυσού συγκεκριμένου μεγέθους εάν φωτίσουμε το σύστημα με ένα κανονικό πράσινο λέιζερ. "Έχουμε εξετάσει άλλα μέταλλα, αλλά για το ασήμι, για παράδειγμα, αυτό το φαινόμενο παρατηρείται μόνο στην υπεριώδη περιοχή, το οποίο είναι λιγότερο βολικό, αλλά μπορεί να είναι χρήσιμο για την αύξηση της αποτελεσματικότητας ορισμένων φωτοχημικά ενεργοποιημένων αντιδράσεων."
Adrianos Valero, ένας από τους κύριους συγγραφείς της μελέτης
Παρεμπιπτόντως, αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο γιαανάμειξη υγρών, αλλά και για τη διαλογή νανοσωματιδίων χρυσού: εάν οι επιστήμονες πρέπει να επιλέξουν σωματίδια χρυσού συγκεκριμένου μεγέθους, για παράδειγμα, 30 νανόμετρα, για το πείραμα. Μέχρι σήμερα, το σύστημα είναι πλήρως σχεδιασμένο και έχει αναπτυχθεί ένα θεωρητικό μοντέλο για αυτό. Η διεξαγωγή πειραμάτων θα είναι το επόμενο βήμα.