Soms moeten wetenschappers het proces van het mengen van vloeistoffen in zulke kleine containers controleren dat het niet mogelijk zal zijn om zelfs de dunste naald of zelfs haar daar te laten zakken. Ondertussen is het erg belangrijk om de diffusiesnelheid van moleculen in zogenaamde microreactoren te regelen om nieuwe effectieve medicijnen te maken, enkele biologische experimenten uit te voeren en zelfs snel ziekten te diagnosticeren. Wetenschappers van de ITMO University en hun collega's van de Tsjechische Academie van Wetenschappen stelden voor om het probleem op te lossen door lichtenergie te gebruiken.
Tegenwoordig gebruiken biologen, chemici en apothekers steeds vaker microreactoren, ook wel laboratoria op een chip genoemd. De kleine bakjes, bezaaid met groeven aan de binnenkant, variëren in grootte van enkele kubieke millimeters tot enkele kubieke centimeters - niet groter dan een luciferdoosje. Niettemin maken deze kleine apparaten het mogelijk om snelle bloedtesten uit te voeren, microscopisch kleine doses stoffen te mengen om zeer effectieve medicijnen te verkrijgen, en experimenten op cellen uit te voeren.
Bij het werken met microreactoren is er echter één moeilijkheid: wetenschappers hebben praktisch geen invloed op de mengsnelheid of, wetenschappelijk gezien, op de diffusie van vloeistoffen en reagentia die op een chip zo'n laboratorium binnenkomen. Wetenschappers van de ITMO University hebben samen met collega's uit Tsjechië een methodologie voorgesteld die dit probleem kan oplossen. Ze besloten om de zogenaamde lichte druk te gebruiken om vloeistoffen te mengen.
Eind 19e eeuw bracht de Britse wetenschapper James Maxwell het idee naar voren dat licht druk kan uitoefenen op fysieke objecten. Al snel toonde de Russische wetenschapper Pyotr Lebedev dit in de praktijk. De kracht van deze druk is echter erg klein en werd in die tijd niet gebruikt. Nu houdt een hele tak van de natuurkunde zich op dit gebied bezig - optomechanica (voor de ontwikkeling waarvan in 2018 de Nobelprijs werd ontvangen door professor Arthur Ashkin). Met behulp van licht vangen ze levende cellen op, verplaatsen ze de kleinste deeltjes materie en, zo bleek, kunnen dezelfde krachten worden gebruikt om vloeistoffen te roeren. Het werk van wetenschappers is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Science.
Op basis van de nieuwste ontwikkelingen in de optomechanica hebben wetenschappers uit Sint-Petersburg een nano-antenne ontwikkeld, een kleine kubus van silicium van ongeveer tweehonderd nanometer groot. Dit voor het oog onzichtbare apparaat is in staat de lichtgolf die erop valt te sturen. "Onze nanoantenna zet circulair gepolariseerd licht om in een optische vortex", legt Alexander Shalin, professor aan de Novy Phystech University van ITMO uit, "de lichtenergie wervelt eromheen."
Naast nanoantennes stelden wetenschappers voor om een bepaalde hoeveelheid gouden nanodeeltjes in de vloeistof te lanceren. De deeltjes die door de optische vortex worden opgevangen, beginnen rond de siliciumkubus te draaien en fungeren zo als de "lepel" voor het mengen van de reagentia. Bovendien is de grootte van dit systeem zo klein dat het de diffusie aan het ene uiteinde van de microreactor met een factor 100 kan verhogen, praktisch zonder dat dit invloed heeft op wat er aan het andere gebeurt.
"Goud is een chemisch inert materiaal dat niet goed reageert", zegt co-auteur Adria Canos Valero, "en het is ook niet giftig. Bovendien moesten we ervoor zorgen dat alleen de spinkrachten en de stralingsdruk op de nanodeeltjes inwerken, maar niet de aantrekking tot de nanoantenna, anders zouden de deeltjes er gewoon aan blijven plakken. Dit effect wordt waargenomen voor gouddeeltjes van een bepaalde grootte als een gewone groene laser op het systeem schijnt. We hebben andere metalen overwogen, maar voor zilver worden deze effecten bijvoorbeeld alleen waargenomen in het ultraviolette spectrum, wat minder gemakkelijk is."
Materiaal geleverd door ITMO University Press Service
Promotie video:
Vasily Makarov
