Время от времени ученым необходимо контролировать процесс смешивания жидкостей в сосудах настолько маленьких, что тонкая игла или даже волос не поместятся там. В то же время, контроль скорости диффузии молекул в так называемых микрореакторах чрезвычайно важен для разработки новых лекарств, проведения биологических экспериментов и даже для проведения быстрых тестов на выявление заболеваний. Ученые из Университета ИТМО и их коллеги из Чешской академии наук предложили решить эту проблему с помощью энергии света.
В настоящее время биологи, химики и фармацевты широко используют микрореакторы, часто интегрированные в миниатюрные установки, которые предназначены для выполнения нескольких этапов химического синтеза конкретного продукта, так называемых платформ «лабораторий на кристалле». Эти крошечные контейнеры с небольшими углублениями на внутренней стороне могут иметь размер от нескольких кубических миллиметров до нескольких кубических сантиметров — не больше, чем спичечный коробок. Тем не менее, они позволяют проводить анализы крови, смешивать микроскопические дозы веществ с целью создания высокоэффективных лекарств и проводить эксперименты на клетках.
Тем не менее, есть одна проблема, связанная с их работой: ученые практически не контролируют скорость перемешивания или, с научной точки зрения, диффузию жидкостей и реагентов внутри таких лабораторий на кристалле. Ученые из Университета ИТМО и их коллеги из Чешской академии наук предложили метод, который может помочь решить эту проблему: они решили использовать так называемое радиационное давление.
Еще в конце XIX века британский ученый Джеймс Клерк Максвелл сделал предположение, что свет может оказывать давление на физические объекты. Вскоре русский ученый Петр Лебедев доказал это. И все же сила такого взаимодействия очень мала, и в то время никто не нашел в этом применения. В настоящее время существует целая область науки, называемая оптомеханикой, которая фокусируется на этом явлении, и в 2018 году Нобелевская премия была вручена профессору Артуру Эшкину за его новаторские работы в этой области. Свет используется для захвата живых клеток и перемещения крошечных частиц веществ. Теперь получается, что те же силы могут быть использованы для смешивания жидкостей.
«Наша наноантенна превращает циркулярно поляризованный свет в оптический вихрь, и энергия света вращается вокруг него».
Александр Шалин, профессор физического факультета ИТМО
Основываясь на последних открытиях в области оптомеханики, ученые из Санкт-Петербурга разработали наноантенну, состоящую из крошечного кремниевого кубика размером около 200 нанометров. Это устройство, невидимое человеческому глазу, может эффективно воздействовать на свет особым образом.
Помимо наноантенн, ученые предложили также ввести наночастицы золота в жидкость. Частицы, захваченные оптическим вихрем, начинают вращаться вокруг куба кремния, выступая в качестве перемешивающей «ложки» для смешивания реагентов. Более того, размер такой системы настолько мал, что она может усиливать диффузию в одном углу микрореактора в сотни раз, практически не влияя на то, что происходит в другом.
«Золото является химически инертным материалом, который мало реагирует. Это также не токсично. Более того, нам было необходимо спроектировать его так, чтобы только наночастицы и радиационное давление воздействовали на наночастицы так, чтобы другие силы не заставляли их тянуться к антенне, иначе частицы просто прилипли бы к нему. Этот эффект наблюдается для частиц золота определенного размера, если мы освещаем систему обычным зеленым лазером. Мы рассмотрели использование других металлов, но для серебра, например, такой эффект наблюдается только в ультрафиолетовом диапазоне, который менее удобен, но может быть полезен для повышения эффективности некоторых фотохимически активированных реакций».
Адрианос Валеро, один из основных авторов исследования
Кстати, этот метод можно применять не только для смешивания жидкостей, но и для сортировки наночастиц золота: если ученым нужно выбрать частицы золота определенного размера, например, 30 нанометров, для эксперимента. На сегодняшний день система полностью рассчитана, и для нее разработана теоретическая модель. Проведение экспериментов будет следующим шагом.