ITMO beslutade att blanda vätskor i mikroreaktorer med ljus och nanoantennor

Då och då behöver forskare kontrollera blandningsprocessen av vätskor i kärlen så mycket

liten att en tunn nål eller till och med ett hårstrå inte får plats där.Samtidigt är det oerhört viktigt att kontrollera diffusionshastigheten av molekyler i så kallade mikroreaktorer för utveckling av nya läkemedel, biologiska experiment och till och med för att genomföra snabbtester för att upptäcka sjukdomar.Forskare från ITMO University och deras kollegor från den tjeckiska vetenskapsakademin har föreslagit att lösa detta problem med hjälp av ljusenergi.

För närvarande biologer, kemister och farmaceutermikroreaktorer används ofta, ofta integrerade i miniatyranläggningar, som är utformade för att utföra flera stadier av kemisk syntes av en viss produkt, det så kallade "laboratorium på ett chip" -plattformar. Dessa små behållare med små indragningar på insidan kan variera i storlek från några kubikmillimeter till flera kubikcentimeter - inte mer än en tändsticka. Men de tillåter blodprover, blanda mikroskopiska doser av ämnen för att skapa mycket effektiva läkemedel och genomföra experiment på celler.

Konstnärlig vy över det föreslagna schemat för aktiv nanoblandning (vänster) och radiell separation av nanopartiklar (höger).En nanokub av kisel nedsänkt i en vattenlösning belyses av en cirkulärt polariserad laserstråle som kommer ovanifrån. 

Det finns emellertid ett problem med derasarbete: forskare kontrollerar praktiskt taget inte blandningshastigheten eller, från en vetenskaplig synvinkel, spridningen av vätskor och reagens i sådana laboratorier på en kristall. Forskare från ITMO universitet och deras kollegor från Tjeckiska vetenskapsakademin har föreslagit en metod som kan hjälpa till att lösa detta problem: de beslutade att använda det så kallade strålningstrycket.

Redan i slutet av 1800-talet föreslog den brittiske vetenskapsmannen James Clerk Maxwell att ljusetSnart blev den ryske vetenskapsmannen Peter den storeÄndå är kraften i en sådan interaktion mycket liten, och vid den tiden var det ingen som fann användning för den.För närvarande finns det ett helt vetenskapsområde som heter optomekanik som fokuserar på detta fenomen, och 2018 tilldelades Nobelpriset till professor Arthur Ashkin för hans banbrytande arbete inom detta område.Ljus används för att fånga levande celler och flytta små partiklar av ämnen.Nu visar det sig att samma krafter kan användas för att blanda vätskor.

"Vår nanoantenn förvandlar cirkulärt polariserat ljus till en optisk virvel, och ljusenergin roterar runt den."

Alexander Shalin, professor, fakulteten för fysik, ITMO University

Baserat på de senaste upptäckterna i fältetoptomekanister, forskare från St Petersburg har utvecklat en nanoantenna bestående av en liten kiselkub med cirka 200 nanometer i storlek. Denna enhet, osynlig för det mänskliga ögat, kan effektivt påverka ljuset på ett speciellt sätt.

Förutom nanoantennas föreslog forskare också införandet avguld nanopartiklar i vätska. Partiklar som fångats av den optiska virveln börjar rotera runt kuben av kisel och fungerar som en blandande "sked" för att blanda reagensen. Dessutom är storleken på ett sådant system så liten att det kan förbättra diffusionen i ett hörn av mikroreaktorn hundratals gånger, praktiskt taget utan att påverka vad som händer i det andra.

– Guld är ett kemiskt inert material som reagerar lite.Dessutom behövde vi designa den så att endast nanopartiklarna och strålningstrycket skulle verka på nanopartiklarna så att andra krafter inte skulle få dem att dras mot antennen, annars skulle partiklarna bara fastna på den.Denna effekt observeras för guldpartiklar av en viss storlek om vi belyser systemet med en konventionell grön laser.Vi har tittat på användningen av andra metaller, men för silver, till exempel, är denna effektobserveras endast i det ultravioletta området, vilket är mindre bekvämt, men kanvara användbara för att förbättra effektiviteten hos vissa fotokemiskt aktiverade reaktioner."

Adrianos Valero, en av studiens huvudförfattare

Förresten, den här metoden kan inte bara användas förblandning av vätskor, men också för sortering av guld-nanopartiklar: om forskare behöver välja guldpartiklar av en viss storlek, till exempel 30 nanometer, för experimentet. Hittills är systemet helt designat och en teoretisk modell har utvecklats för det. Nästa steg är att genomföra experiment.