Van tijd tot tijd moeten wetenschappers het proces van het mengen van vloeistoffen in vaten controleren
Momenteel biologen, chemici en apothekersmicroreactoren worden vaak gebruikt, vaak geïntegreerd in miniatuurinstallaties, die zijn ontworpen om verschillende stadia van chemische synthese van een bepaald product, de zogenaamde "laboratorium-op-een-chip" -platforms, uit te voeren. Deze kleine bakjes met kleine inkepingen aan de binnenkant kunnen variëren van enkele kubieke millimeters tot enkele kubieke centimeter - niet meer dan een luciferdoosje. Ze laten echter bloedonderzoek toe, mengen microscopisch kleine doses stoffen om zeer effectieve medicijnen te maken en voeren experimenten uit op cellen.
Artistieke weergave van het voorgestelde actieve circuitnanomenging (links) en radiale scheiding van nanodeeltjes (rechts). Een silicium nanokubus ondergedompeld in een waterige oplossing wordt verlicht door een circulair gepolariseerde laserstraal die van bovenaf komt.
Er is echter één probleem met hunwerk: wetenschappers hebben praktisch geen controle over de mengsnelheid of, vanuit wetenschappelijk oogpunt, de diffusie van vloeistoffen en reagentia in dergelijke laboratoria op een kristal. Wetenschappers van ITMO University en hun collega's van de Tsjechische Academie van Wetenschappen hebben een methode voorgesteld die dit probleem kan helpen oplossen: ze hebben besloten de zogenaamde stralingsdruk te gebruiken.
Aan het einde van de 19e eeuw ontdekte de Britse wetenschapper JamesKlerk Maxwell suggereerde dat licht druk zou kunnen uitoefenen op fysieke objecten. Al snel bewees de Russische wetenschapper Pyotr Lebedev dit. En toch is de kracht van een dergelijke interactie erg klein, en op dat moment vond niemand er nut voor. Er bestaat nu een heel wetenschapsgebied, de optomechanica genaamd, dat zich op dit fenomeen richt, en in 2018 werd de Nobelprijs toegekend aan professor Arthur Ashkin voor zijn baanbrekende werk op dit gebied. Licht wordt gebruikt om levende cellen te vangen en kleine deeltjes stoffen te verplaatsen. Nu blijkt dat dezelfde krachten kunnen worden gebruikt om vloeistoffen te mengen.
“Onze nanoantennes veranderen circulair gepolariseerd licht in een optische draaikolk, en de lichtenergie draait eromheen.”
Alexander Shalin, hoogleraar aan de ITMO-faculteit Natuurkunde
Gebaseerd op de laatste ontdekkingen in het veldoptomechanici, wetenschappers uit St. Petersburg hebben een nanoantenna ontwikkeld bestaande uit een minuscuul siliciumblokje van ongeveer 200 nanometer groot. Dit voor het menselijk oog onzichtbare apparaat kan licht op een speciale manier effectief beïnvloeden.
Naast nanoantennes hebben wetenschappers ook de introductie van voorgesteldgouden nanodeeltjes in vloeistof. Deeltjes die door de optische vortex worden opgevangen, beginnen rond de kubus van silicium te roteren en werken als een menglepel voor het mengen van de reagentia. Bovendien is de afmeting van een dergelijk systeem zo klein dat het de diffusie in een hoek van de microreactor honderden keren kan verbeteren, praktisch zonder te beïnvloeden wat er in de andere gebeurt.
‘Goud is chemisch inertmateriaal dat weinig reageert. Het is ook niet giftig. Bovendien moesten we het zo ontwerpen dat alleen de nanodeeltjes en de stralingsdruk op de nanodeeltjes inwerkten, zonder dat andere krachten ervoor zorgden dat ze naar de antenne werden getrokken, anders zouden de deeltjes er gewoon aan blijven plakken. Dit effect wordt waargenomen voor gouddeeltjes van een bepaalde grootte als we het systeem belichten met een gewone groene laser. "We hebben naar andere metalen gekeken, maar voor zilver wordt dit effect bijvoorbeeld alleen waargenomen in het ultraviolette bereik, wat minder handig is, maar nuttig kan zijn voor het verhogen van de efficiëntie van sommige fotochemisch geactiveerde reacties."
Adrianos Valero, een van de belangrijkste auteurs van het onderzoek
Trouwens, deze methode kan niet alleen voor worden gebruikthet mengen van vloeistoffen, maar ook voor het sorteren van gouden nanodeeltjes: als wetenschappers voor het experiment gouddeeltjes van een bepaalde grootte moeten kiezen, bijvoorbeeld 30 nanometer. Tot op heden is het systeem volledig ontworpen en is er een theoretisch model voor ontwikkeld. Experimenten uitvoeren is de volgende stap.