Ibland måste forskare kontrollera processen att blanda vätskor i så små behållare att det inte kommer att vara möjligt att sänka till och med den tunnaste nålen eller till och med håret där. Samtidigt är det mycket viktigt att kontrollera diffusionshastigheten för molekyler i så kallade mikroreaktorer för att skapa nya effektiva läkemedel, genomföra några biologiska experiment och till och med snabbt diagnostisera sjukdomar. Forskare från ITMO-universitetet och deras kollegor från Tjeckiska vetenskapsakademin föreslog att lösa problemet med användning av ljusenergi.
Idag använder biologer, kemister, farmaceuter alltmer mikroreaktorer, även kallade laboratorier på ett chip. De små behållarna, prickade med spår inuti, sträcker sig i storlek från några kubikmillimeter till några kubikcentimeter - inte större än en tändsticka. Icke desto mindre gör dessa små anordningar det möjligt att utföra uttryckliga blodprover, blanda mikroskopiska doser av ämnen för att erhålla mycket effektiva läkemedel och genomföra experiment på celler.
Men när man arbetar med mikroreaktorer finns det en svårighet: forskare kan praktiskt taget inte påverka blandningshastigheten eller, i vetenskapliga termer, diffusionen av vätskor och reagens som kommer in i ett sådant laboratorium på ett chip. Forskare från ITMO-universitetet har tillsammans med kollegor från Tjeckien föreslagit en metod som kan lösa detta problem. De beslutade att använda det så kallade lätttrycket för att blanda vätskor.
Redan i slutet av 1800-talet framförde den brittiska forskaren James Maxwell idén att ljus kan utöva tryck på fysiska föremål. Snart visade den ryska forskaren Pyotr Lebedev detta i praktiken. Kraften för detta tryck är emellertid mycket liten, och i dessa dagar användes det inte. Nu är en hel fysikfilial engagerad inom detta område - optomekanik (för vilken utvecklingen år 2018 fick Nobelpriset av professor Arthur Ashkin). Med hjälp av ljus fångar de levande celler, flyttar de minsta partiklarna av materia och, som det visade sig, kan samma krafter användas för att rör om vätskor. Forskarnas arbete publiceras i tidskriften Advanced Science.
Baserat på de senaste framstegen inom optomekanik har forskare från St Petersburg utvecklat en nanoantenna, som är en liten kub av kisel ungefär tvåhundra nanometer i storlek. Denna enhet, osynlig för ögat, kan styra ljusvågen som träffar den. "Vår nanoantenna omvandlar cirkulärt polariserat ljus till en optisk virvel," förklarar Alexander Shalin, professor vid ITMOs Novy Phystech University, "ljusenergin virvlar runt den."
Förutom nanoantennas föreslog forskare att lansera en viss mängd guld-nanopartiklar i vätskan. Partiklarna som fångas upp av den optiska virveln börjar snurra runt kiselkuben och fungerar således som själva "skeden" för blandning av reagens. Dessutom är storleken på detta system så liten att det kan öka diffusionen med en faktor 100 i ena änden av mikroreaktorn, praktiskt taget utan att påverka vad som händer i den andra.
"Guld är ett kemiskt inert material som inte reagerar bra", säger medförfattaren Adria Canos Valero, "och det är också giftigt. Dessutom behövde vi se till att endast spinnkrafter och strålningstryck verkar på nanopartiklarna, men inte attraktionen mot nanoantenna, annars skulle partiklarna helt enkelt hålla sig till den. Denna effekt observeras för guldpartiklar av en viss storlek om en vanlig grön laser lyser på systemet. Vi har övervägt andra metaller, men till exempel för silver observeras dessa effekter endast i det ultravioletta spektrumet, vilket är mindre bekvämt."
Material tillhandahållet av ITMO University Press Service
Kampanjvideo:
Vasily Makarov
