Nogle gange er forskere nødt til at kontrollere processen med at blande væsker i så små beholdere, at det ikke er muligt at sænke selv den tyndeste nål eller endda håret der. I mellemtiden er det meget vigtigt at kontrollere diffusionshastigheden af molekyler i såkaldte mikroreaktorer for at skabe nye effektive lægemidler, udføre nogle biologiske eksperimenter og endda hurtigt diagnosticere sygdomme. Forskere fra ITMO-universitetet og deres kolleger fra det tjekkiske videnskabsakademi foreslog at løse problemet ved hjælp af lysenergi.
I dag bruger biologer, kemikere, farmaceuter i stigende grad mikroreaktorer, også kaldet laboratorier på en chip. De små containere, der er præget med riller indeni, strækker sig i størrelse fra et par kubikmillimeter til et par kubikcentimeter - ikke større end en fyrstikkekasse. Ikke desto mindre gør disse små anordninger det muligt at udføre hurtige blodprøver, blande mikroskopiske doser af stoffer for at opnå meget effektive medikamenter og udføre eksperimenter på celler.
Når man arbejder med mikroreaktorer, er der imidlertid en vanskelighed: forskere kan praktisk taget ikke påvirke blandingshastigheden eller videnskabeligt set diffusionen af væsker og reagenser, der kommer ind i et sådant laboratorium på en chip. Forskere fra ITMO University har sammen med kolleger fra Tjekkiet foreslået en metode, der kan løse dette problem. De besluttede at bruge det såkaldte lette tryk til at blande væsker.
Tilbage i slutningen af det 19. århundrede fremførte den britiske forsker James Maxwell tanken om, at lys kan udøve pres på fysiske genstande. Snart viste den russiske videnskabsmand Pyotr Lebedev dette i praksis. Kraften ved dette tryk er imidlertid meget lille, og i disse dage blev det ikke brugt. Nu er en hel gren af fysik beskæftiget med dette område - optomekanik (hvis udvikling i 2018 blev Nobelprisen modtaget af professor Arthur Ashkin). Ved hjælp af lys fanger de levende celler, bevæger de mindste partikler af stof, og som det viste sig, kan de samme kræfter bruges til at omrøre væsker. Forskernes arbejde er offentliggjort i tidsskriftet Advanced Science.
Baseret på de seneste fremskridt inden for optomekanik har forskere fra Skt. Petersborg udviklet en nanoantenna, som er en lille kube af silicium, der er omkring to hundrede nanometer i størrelse. Denne enhed, der er usynlig for øjet, er i stand til at kontrollere lysbølgen, der rammer den. "Vores nanoantenna konverterer cirkulært polariseret lys til en optisk hvirvel," forklarer Alexander Shalin, professor ved ITMOs Novy Phystech University.
Foruden nanoantennas foreslog forskere at lancere en vis mængde guld nanopartikler i væsken. Partiklerne, der er fanget af den optiske hvirvel, begynder at dreje rundt om siliciumterningen og fungerer således som selve "skeen" til blanding af reagenserne. Desuden er dette systems størrelse så lille, at det kan øge diffusionen med en faktor 100 i den ene ende af mikroreaktoren praktisk talt uden at påvirke, hvad der sker i den anden.
”Guld er et kemisk inert materiale, der ikke reagerer godt,” siger medforfatter Adria Canos Valero,”og det er også ikke-giftigt. Derudover var vi nødt til at sikre, at kun spin-kræfter og strålingstryk virker på nanopartiklerne, men ikke tiltrækningen til nanoantenna, ellers ville partiklerne simpelthen holde sig til den. Denne effekt observeres for guldpartikler af en bestemt størrelse, hvis en almindelig grøn laser skinner på systemet. Vi har overvejet andre metaller, men for eksempel for sølv observeres disse effekter kun i det ultraviolette spektrum, hvilket er mindre praktisk."
Materiale leveret af ITMO University Press Service
Salgsfremmende video:
Vasily Makarov