Di tanto in tanto, gli scienziati devono controllare il processo di miscelazione dei liquidi nei recipienti
Attualmente biologi, chimici e farmacistii microreattori vengono spesso utilizzati, spesso integrati in impianti in miniatura, progettati per eseguire diverse fasi di sintesi chimica di un particolare prodotto, le cosiddette piattaforme "da laboratorio su un chip". Questi piccoli contenitori con piccole rientranze all'interno possono variare da pochi millimetri cubi a diversi centimetri cubici - non più di una scatola di fiammiferi. Tuttavia, consentono esami del sangue, mescolano dosi microscopiche di sostanze per creare farmaci altamente efficaci e condurre esperimenti sulle cellule.
Veduta artistica del circuito attivo propostonanomiscelazione (a sinistra) e separazione radiale delle nanoparticelle (a destra). Un nanocubo di silicio immerso in una soluzione acquosa viene illuminato da un raggio laser polarizzato circolarmente proveniente dall'alto.
Tuttavia, c'è un problema con lorolavoro: gli scienziati praticamente non controllano la velocità di miscelazione o, da un punto di vista scientifico, la diffusione di liquidi e reagenti all'interno di tali laboratori su un cristallo. Gli scienziati dell'Università ITMO e i loro colleghi dell'Accademia delle scienze ceca hanno proposto un metodo che può aiutare a risolvere questo problema: hanno deciso di utilizzare la cosiddetta pressione da radiazioni.
Alla fine del 19° secolo, lo scienziato britannico JamesL'impiegato Maxwell suggerì che la luce potrebbe esercitare una pressione sugli oggetti fisici. Ben presto lo scienziato russo Pyotr Lebedev lo dimostrò. Eppure la forza di tale interazione è molto piccola e a quel tempo nessuno ne trovò l’utilità. Oggi esiste un intero campo della scienza chiamato optomeccanica che si concentra su questo fenomeno e nel 2018 il Premio Nobel è stato assegnato al professor Arthur Ashkin per il suo lavoro pionieristico in questo campo. La luce viene utilizzata per catturare le cellule viventi e spostare minuscole particelle di sostanze. Ora si scopre che le stesse forze possono essere usate per mescolare i liquidi.
“La nostra nanoantenna trasforma la luce polarizzata circolarmente in un vortice ottico e l’energia luminosa ruota attorno ad esso”.
Alexander Shalin, professore alla Facoltà di Fisica dell'ITMO
Basato sulle ultime scoperte sul campooptomeccanisti, scienziati di San Pietroburgo hanno sviluppato una nanoantenna costituita da un minuscolo cubo di silicio di circa 200 nanometri di dimensioni. Questo dispositivo, invisibile all'occhio umano, può influenzare efficacemente la luce in modo speciale.
Oltre alle nanoantenne, gli scienziati hanno anche proposto l'introduzione dinanoparticelle d'oro in un liquido. Le particelle catturate dal vortice ottico iniziano a ruotare attorno al cubo di silicio, fungendo da "cucchiaio" di miscelazione per miscelare i reagenti. Inoltre, la dimensione di un tale sistema è così piccola che può migliorare centinaia di volte la diffusione in un angolo del microreattore, praticamente senza influenzare ciò che sta accadendo nell'altro.
"L'oro è chimicamente inertemateriale che reagisce poco. È anche atossico. Inoltre, dovevamo progettarlo in modo che solo le nanoparticelle e la pressione delle radiazioni agissero sulle nanoparticelle, in modo che altre forze non le costringessero ad essere attirate verso l'antenna, altrimenti le particelle si sarebbero semplicemente attaccate ad essa. Questo effetto si osserva per particelle d'oro di una certa dimensione se illuminiamo il sistema con un normale laser verde. "Abbiamo esaminato altri metalli, ma per l'argento, ad esempio, questo effetto si osserva solo nella gamma degli ultravioletti, che è meno conveniente, ma può essere utile per aumentare l'efficienza di alcune reazioni attivate fotochimicamente."
Adrianos Valero, uno dei principali autori dello studio
A proposito, questo metodo può essere utilizzato non solo permiscelazione di liquidi, ma anche per l'ordinamento di nanoparticelle d'oro: se gli scienziati devono scegliere particelle d'oro di una certa dimensione, ad esempio 30 nanometri, per l'esperimento. Ad oggi, il sistema è completamente progettato e per questo è stato sviluppato un modello teorico. Il prossimo passo sarà condurre esperimenti.