Использование стеклянных пузырьков для обнаружения присутствия наночастиц

Ученые из Университета науки и техники Окинавы (OIST) разработали технологию, которая на самом деле бросает свет на некоторые мельчайшие частицы, чтобы обнаружить их присутствие – и она разработана из крошечных стеклянных пузырьков.

Увеличенная фотография стеклянного резонатора галереи шепота. Пузырь чрезвычайно мал, меньше ширины человеческого волоса. (Image credit: OIST)

Технология основана на уникальном физическом явлении, называемом «шепчущей галереей», описанной физиком лордом Рэлеем (John William Strutt) в 1878 году и названным в честь акустического эффекта внутри купола собора Святого Павла в Лондоне. Можно было четко слышать шепоты, сделанные с одной стороны круговой галереи на противоположной стороне. Это связано с перемещением звуковых волн вдоль стен купола на другую сторону. Этот эффект можно воспроизвести светом в крошечной стеклянной сфере с шириной, равной ширине пряди волос, известной как резонатор шепота (WGR).

Когда светит свет в сферу, он снова и снова отскакивает вокруг внутренней поверхности, образуя оптическую карусель. Фотоны, которые отскакивают по внутренней поверхности крошечной сферы, могут в конечном итоге путешествовать на большие расстояния, до 100 м в разы. Однако каждый раз, когда фотон отскакивает от поверхности сферы, происходит небольшое количество света. Этот просачивающий свет образует своего рода ауру вокруг сферы, называемую исчезающим светом.

Когда наночастицы входят в область этого поля, его длина волны искажается ими, тем самым эффективно изменяя ее цвет. Исследователи могут контролировать эти изменения в цвете и использовать WGR в качестве датчика; Раньше различные исследовательские группы использовали их для обнаружения отдельных вирусных частиц в решении, например. Тем не менее, исследователи из отдела взаимодействия с легкими веществами OIST отметили, что усовершенствования предшествующей работы могут быть сделаны для разработки еще более чувствительных конструкций. Исследование было опубликовано в журнале Optica .

В настоящее время д-р Джонатан Уорд использует WGR для более эффективного обнаружения мельчайших частиц, как никогда раньше. Разработанные ими WGR – это пустые стеклянные пузырьки, а не шарики, объяснил доктор Уорд. « Мы нагрюли небольшую стеклянную трубку с лазером и выпустили ее воздух – это очень похоже на традиционное выдувание стекла ». Когда воздух взорван, нагретая стеклянная трубка, сферическая камера с возможностью поддержка чувствительного светового поля. Наиболее очевидным изменением между выдувным стеклянным орнаментом и этими прецизионными инструментами является шкала: размер стеклянных пузырьков может составлять всего 100 мкм – ширину в миллиметр. Их размер делает их хрупкими для обработки; однако они также податливы.

Д-р Уорд работал с теоретических моделей и продемонстрировал, что можно увеличить размер светового поля с помощью тонкой сферической оболочки (или пузыря), а не сплошной сферы. Диапазон, в котором частицы могут быть обнаружены, увеличивается, когда используется большее поле, тем самым повышая эффективность датчика.

Мы знали, что у нас есть методы и материалы для изготовления резонатора . Затем нам пришлось продемонстрировать, что он может превзойти нынешние типы, используемые для обнаружения частиц .

Д-р Уорд

Исследователи разработали относительно простой тест, чтобы доказать свою концепцию. Жидкий раствор, содержащий крошечные частицы полистирола, был заполнен новой конструкцией пузырьков, и свет был сделан, чтобы сиять вдоль стеклянной нити, чтобы создать светлое поле в его внутренней жидкости. Частицы, которые двигались в диапазоне светового поля, вызывали заметные сдвиги в длине волны, которые были значительно более выраженными по сравнению с теми, которые наблюдались при использовании стандартной сферической WGR.

. Поскольку у исследователей теперь есть более эффективный инструмент, их следующей задачей было бы найти приложения для него. Получение знаний об изменениях, вызванных различными материалами в световое поле, позволило бы д-ру Уорду идентифицировать и направить их на них и даже манипулировать их поведением.

Несмотря на свою хрупкость, эти новые варианты WGR могут быть легко изготовлены и могут безопасно транспортироваться в специально отведенных случаях. Это говорит о том, что можно было бы использовать эти датчики в широком диапазоне областей, таких как обнаружение загрязнения путем тестирования на токсичные молекулы в воде или обнаружение вирусов, передающихся через кровь, в сельских районах, где здравоохранение может быть ограничено.

Мы всегда подталкиваем, чтобы получить еще большую чувствительность и найти самую маленькую частицу, которую этот датчик может обнаружить. Мы хотим довести наше обнаружение до физических пределов .

Доктор Уорд

Source link