14:31 2022-07-01
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Rotoare optotermice universale micro/nanoscală
_ Rotoare optotermale universale micro/nanoscale
Rotația fundamentală a micro și nano-obiectelor este crucială pentru funcționalitatea micro și nanorobotice, precum și pentru imagistica tridimensională și sistemele de laborator-on-a-chip. Aceste metode de rotație optică pot funcționa fără combustibil și de la distanță și, prin urmare, sunt mai potrivite pentru experimente, în timp ce metodele actuale necesită raze laser cu profile de intensitate proiectate sau obiecte cu forme sofisticate. Aceste cerințe sunt provocatoare pentru configurații optice mai simple, cu rotația determinată de lumină a unei varietăți de obiecte, inclusiv celule biologice.
Într-un nou raport publicat acum în Science Advances, Hongru Ding și o echipă de cercetare în inginerie și materiale știința de la Universitatea Texas din Austin, S.U.A., a dezvoltat o abordare universală pentru rotația în afara planului diferitelor obiecte bazată pe un fascicul laser arbitrar de mică putere. Oamenii de știință au poziționat sursa laser departe de obiecte pentru a reduce daunele optice cauzate de iluminarea directă și au combinat mecanismul de rotație prin cuplare optotermă cu experimente riguroase, cuplate cu simulări pe mai multe scară. Aplicabilitatea generală și biocompatibilitatea platformei universale de rotație condusă de lumină sunt esențiale pentru o serie de aplicații științifice și de inginerie.
Rotația opto-termoelectrică
Prin reglarea rotației micro și obiecte la scară nanometrică, cercetătorii au dovedit funcționalități eficiente prin nanochirurgia precisă, frecarea în vid și controlul fluxului microfluidic. Micro- și nanorotoarele acționate de lumină sunt o opțiune promițătoare fără combustibil, deși astfel de dispozitive au rămas dificil de construit, deoarece au nevoie de optice mai simple și de putere redusă pentru a realiza rotația condusă de lumină. Ding și colab. au propus rotația opto-termoelectrică (OTER) în această nouă lucrare, pentru a genera forță electrocinetică, forță de epuizare și forță electrică pe baza opticii simple și de putere redusă.
Echipa de cercetare a realizat rotația sferică. micro și nanoparticule simetrice și omogene printr-un singur fascicul laser gaussian poziționat departe de rotoare, pentru a reduce daunele cauzate de iluminarea directă a luminii. Prin combinarea experimentelor cu simulări pe mai multe scară, au dezvăluit rotația optotermală prin interacțiuni electrocinetice între micro- și nanoparticule și substratul cu sarcină de suprafață termo-sensibilă. Ca dovadă a conceptului, echipa a arătat cum strategia OTER ar putea roti obiecte de diferite dimensiuni, materiale și forme pentru a regla lumina incidentă și chimia suprafeței.
Cercetătorii au ilustrat configurația experimentală și mecanismul de lucru al OTER, unde un fascicul laser a generat forțe optotermale asupra particulelor. Ding și colab. au adaptat forța netă și cuplul prin puterea laserului și distanța particulelor laser pentru rotația în afara planului micro și nano-obiectelor. Apoi au direcționat fasciculul laser către un substrat care absoarbe lumina, cum ar fi un film de aur poros, pentru a stabili un câmp de temperatură adaptabil în microsecunde.
Pentru a genera optotermic forțele și cuplul necesar pentru o rotație stabilă a rotorului, Ding și colab. au adăugat molecule de polietilen glicol (PEG) și soluție salină tamponată cu fosfat în apă și au funcționat substratul cu monostraturi de alcanetiol terminate cu acid carboxilic. La iluminarea cu laser, echipa a realizat o creștere a temperaturii pentru a crea un câmp termoelectric în prezența ionilor pentru a conduce termo-electroforeza rotorului încărcat. Ei au explorat gradientul de sarcină de suprafață pe substrat pentru a furniza apoi o forță electrocinetică reglabilă optotermic, cunoscută sub numele de forță termoelectrică.
Caracterizarea și modelarea rotației opto-termoelectrice.
Ding și colab. au studiat comportamentul de rotație al rotoarelor acționate de lumină folosind microscopia optică. Ei au dobândit o examinare mai bună a comportamentului de rotație prin etichetarea unei microparticule de polistiren cu două nano-sperle fluorescente cu legare streptavidină-biotină pentru rotația în afara planului particulei condusă de un laser. Rotația în afara axei observată a protejat rotoarele delicate, inclusiv celulele vii de deteriorarea cauzată de iluminarea optică de mare putere. Echipa a încorporat în continuare analiza cu elemente finite, dinamica moleculară și simulări în domeniul timpului cu diferențe finite pentru a analiza forțele de lucru ale rotoarelor opto-termoelectrice. Oamenii de știință au calculat forțele opto-termice și cuplurile care acționează asupra rotorului în funcție de distanța particule-laser și au efectuat o serie de experimente și simulări pentru a înțelege impactul forței electrocinetice, forței de epuizare și forței termoelectrice prin reglarea sarcinii de suprafață a substratul și componentele soluției.
Aplicații ale OTER
Ding și colab. au arătat impactul OTER asupra celulelor biologice și particulelor sintetice de diverse materiale, dimensiuni și forme. Ei au afișat rotația rotoarelor la scară nanometrică, cum ar fi particulele de polistiren-aur Janus, folosind microscopia optică în câmp întunecat. Metoda OTER este de asemenea aplicabilă celulelor vii, inclusiv tulpinilor vii de ciuperci, bacterii și chiar celule umane din mediile de cultură celulară care conțin ioni. În plus, metoda este potrivită pentru rotoarele cu arhitecturi complexe, inclusiv rotația în afara planului de dimeri, trimeri și hexameri de particule. Folosind această metodă, Ding și colab. prevăd o reglare precisă a rotorului și a fasciculului laser pentru a realiza profilarea 3D a celulelor biologice și a particulelor sintetice de înaltă rezoluție.
Outlook
În acest fel, Hongru Ding și colegii au folosit termodifuzia de ioni și molecule în soluții pentru a dezvolta o sarcină termosensibilă la interfețele solid-lichid. Strategia opto-termoelectrică a permis rotirea obiectelor la scară micro și nanometrică într-un mediu lichid cu optică simplă și de putere redusă. Metoda este superioară tehnicilor convenționale existente cu aplicabilitate universală pentru detectarea imaginii și aplicații biomedicale. Echipa se așteaptă ca abordarea optotermală să joace un rol semnificativ în studiile biologice in vitro pentru a roti celulele și particulele sintetice în biofluide native cu ioni și biomolecule.
© 2022 Science X Network
Comentarii:
Adauga Comentariu