Понякога учените трябва да контролират процеса на смесване на течности в толкова малки контейнери, че няма да е възможно да се спусне дори най-тънката игла или дори косата там. Междувременно е много важно да се контролира скоростта на дифузия на молекулите в така наречените микрореактори, за да се създадат нови ефективни лекарства, да се проведат някои биологични експерименти и дори бързо да се диагностицират заболявания. Учени от университета ITMO и техните колеги от Чешката академия на науките предложиха да се реши проблемът чрез използване на светлинна енергия.
Днес биолозите, химиците и фармацевтите все по-често използват микрореактори, наричани още лаборатории на чип. Малките контейнери, изпъстрени с канали отвътре, варират от няколко кубически милиметра до няколко кубически сантиметра - не по-големи от кутия за кибрит. Независимо от това, тези малки устройства позволяват извършването на бързи кръвни тестове, смесване на микроскопични дози вещества, за да се получат високоефективни лекарства и провеждане на експерименти върху клетки.
Въпреки това, когато работите с микрореактори, има една трудност: учените практически не могат да повлияят на скоростта на смесване или, в научно отношение, на дифузията на течности и реагенти, които влизат в такава лаборатория върху чип. Учени от университета ITMO, заедно с колеги от Чехия, предложиха методология, която може да реши този проблем. Те решиха да използват така нареченото леко налягане за смесване на течности.
Още в края на 19 век британският учен Джеймс Максуел изложи идеята, че светлината може да упражнява натиск върху физически обекти. Скоро руският учен Пьотр Лебедев показа това на практика. Силата на това налягане обаче е много малка и в онези дни не е използвана. Сега цял клон на физиката се занимава с тази област - оптомеханика (за развитието на която през 2018 г. Нобелова награда получи професор Артур Ашкин). С помощта на светлината те улавят живи клетки, преместват и най-малките частици от материята и, както се оказа, същите сили могат да бъдат използвани за разбъркване на течности. Работата на учените е публикувана в списанието Advanced Science.
Въз основа на най-новите постижения в оптимеханиката, учени от Санкт Петербург разработиха наноантена, която представлява мъничък кубик от силиций с размер около двеста нанометра. Това устройство, невидимо за окото, е в състояние да контролира светлинната вълна, която го удря. "Нашата наноантена преобразува кръгово поляризирана светлина в оптичен вихър", обяснява Александър Шалин, професор от Университета "Нов физик" на ITMO, "светлинната енергия се върти около нея."
В допълнение към наноантените, учените предложиха да изстрелят определено количество златни наночастици в течността. Частиците, уловени от оптичния вихър, започват да се въртят около кубика силиций, като по този начин действат като самата "лъжица" за смесване на реагентите. Освен това размерът на тази система е толкова малък, че може да увеличи дифузията с коефициент 100 в единия край на микрореактора, практически без това да влияе на това, което се случва в другия.
„Златото е химически инертен материал, който не реагира добре“, казва съавторът Адриа Канос Валеро, „и също е нетоксичен. Освен това трябваше да гарантираме, че върху наночастиците действат само сили на въртене и радиационно налягане, но не и привличането към наноантената, в противен случай частиците просто ще се придържат към нея. Този ефект се наблюдава при златни частици с определен размер, ако на системата грее обикновен зелен лазер. Разгледали сме и други метали, но например при среброто тези ефекти се наблюдават само в ултравиолетовия спектър, което е по-малко удобно."
Материал, предоставен от ITMO University Press
Промоционално видео:
Василий Макаров