レーザービームの周りの溶媒剥離紡糸微粒子

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Anonim
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物理学者は、加熱時に2つの液体の混合物を分離して、石英粒子からマイクロモーターを作成することを提案しています。局所的な加熱と二相媒体の形成の助けを借りて、光ピンセットのレーザービームの周りの微粒子の回転を毎分1000回転以上の速度で励起することが可能である、と科学者はPhysicalReviewに書いています手紙。

熱、化学、磁気、または光エネルギーを機械的エネルギーに変換するためにマイクロシステムで使用されるマイクロモーターの作成における主な問題は、熱ゆらぎの役割の増加であり、そのエネルギーは機械的エネルギーに釣り合っています。偏光または磁場の変換に基づいてマイクロモーターを開発する場合、この影響を考慮に入れる必要があります。この問題を解決するための可能な方法の1つは、移動する粒子自体の特性だけでなく、それが配置されている液体も運動を励起するために使用することです。このアプローチの例は、光吸収粒子の加熱による溶媒の局所的な沸騰です。そして、この現象を光ピンセットの作用と組み合わせることで、粒子が周期的に機械的仕事を行い、レーザービームに近づいたり遠ざかったりするシステムを作ることができます。

ジョバンニ・ボルペ率いるスウェーデン、トルコ、ドイツの物理学者は、重要な溶媒混合物を2つの相に層化することにより、光吸収微粒子の制御された動きを光学的に励起する同様のアプローチを提案しました。このようなメカニズムの実装の可能性を確認するために、科学者たちは、直径2.5マイクロメートルの酸化ケイ素の粒子を水と弱い求核特性を持つ複素環式化合物であるルチジンの均一な混合物に入れる実験を行いました。室温では、このような混合物は均一な溶液ですが、温度が摂氏34度に上昇すると、溶液は2つの液体に分離し始めます。

溶液中の酸化ケイ素粒子の位置は、976ナノメートルの波長のレーザーに基づく光ピンセットを使用して固定されました。粒子(酸化ケイ素に加えて、酸化鉄も含む)が熱を放出して光を吸収し、その近くで溶媒が初期温度26℃に対して加熱されたという事実のために。このため、温度は局所的に層間剥離の臨界値を超え、溶液は二相状態になりました。

ここにビデオがあるはずですが、何かがうまくいきませんでした。

このようなシステムでの液体の分離は、水中のルチジンの濃度勾配の出現につながり、その結果、粒子運動のダイナミクスは、2つの力によって決定されます。レーザービームの軸から粒子をはじき、光ピンセット自体の側面からの引力をはじきます。これらの2つの力の結果として、レーザービームの焦点面での粒子の軸周りの回転が励起されます。同時に、レーザー出力を変えることにより、粒子の回転速度を変えることができます。この実験では、研究の著者は回転速度をゼロから1100 rpm以上に変更しましたが、レーザービームの幅によって決定される粒子軌道の半径は約1マイクロメートルでした。

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異なる出力のレーザーを使用した場合の粒子の挙動。上記は0.6ミリワットのレーザー出力のデータで、以下は-1.5ミリワットです。粒子の顕微鏡写真が左側に示され、その軌道は前者によって示されました。中央-確率密度画像の背景に対する粒子ドリフト速度のフィールド。右側は相互相関関数の時間依存性であり、そこから粒子の回転速度が計算されました。

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異なる出力のレーザーを使用した場合の粒子の挙動。上はレーザー出力2、1ミリワット、下は-2、7ミリワットのデータです。粒子の顕微鏡写真が左側に示され、その軌道は前者によって示されました。中央-確率密度画像の背景に対する粒子ドリフト速度のフィールド。右側は相互相関関数の時間依存性であり、そこから粒子の回転速度が計算されました。

物理学者は、このようなシステムでの粒子の回転速度は、放射電力を変更するだけでなく、液体の混合物の温度と組成を変更することによっても制御できることに注意してください(実際、混合物がクリティカル状態)。したがって、たとえば、使用する組成物(23質量パーセントのルチジンと76パーセントの水)の代わりに、わずかに異なる比率の成分を使用すると、同じ照射で臨界分離温度を上げ、回転速度を下げることができます。パワーと中温。

同時に、著者らは、実験で液体の分離を引き起こす小さな温度勾配は、そのようなマイクロモーターの動作の前提条件ではないことに注意しています。同じ効果は、例えば、液体に溶解した物質の濃度または媒体の酸性度の違いのために達成することができます。研究の著者によると、提案されたアプローチの主な利点は、レーザー光の偏光からの独立性と、室温でマイクロモーターを操作する可能性です。そして科学者たちは、例えば液体を混合するために、微粒子のそのような制御された回転を使用することを提案している。

拡散泳動と拡散浸透の効果の使用は、マイクロフルイディクスにおける可動微粒子の挙動を制御するためのかなり一般的なアプローチです。たとえば、物理学者は最近、拡散泳動を使用して、異なる塩分のストリームを混合するときに、粒子の局所濃度を変更することが可能であり、場合によっては、粒子によるマイクロチャネルの詰まりにつながることを示しました。

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