Joskus tutkijoiden on valvottava nesteiden sekoittamisprosessia niin pienissä astioissa, ettei siellä ole mahdollista pienentää pienintäkään neulaa tai hiuksia. Samaan aikaan on erittäin tärkeää hallita molekyylien diffuusionopeutta ns. Mikroreaktoreissa, jotta voidaan luoda uusia tehokkaita lääkkeitä, suorittaa joitain biologisia kokeita ja jopa nopeasti diagnosoida sairauksia. ITMO-yliopiston tutkijat ja heidän kollegansa Tšekin tiedeakatemiasta ehdottivat ongelman ratkaisemista valoenergiaa käyttämällä.
Nykyään biologit, kemistit ja farmaseutit käyttävät yhä enemmän mikroreaktoreita, joita kutsutaan myös siruilla laboratorioiksi. Pienten säiliöiden, joissa on uria sisäpuolella, koko vaihtelee muutamasta kuutiometriä - muutamaan kuutiosenttimetriin - ei suurempi kuin tulitikkurasia. Siitä huolimatta nämä pienet laitteet mahdollistavat nopeiden verikokeiden suorittamisen, mikroskooppisten annosten sekoittamisen erittäin tehokkaiden lääkkeiden saamiseksi ja kokeiden suorittamista soluille.
Mikroreaktorien kanssa työskennellessä on kuitenkin yksi vaikeus: tutkijat eivät käytännössä voi vaikuttaa sekoittamisen nopeuteen tai tieteellisesti sellaiseen laboratorioon saapuvien nesteiden ja reagenssien diffuusioon sirulla. ITMO-yliopiston tutkijat ovat yhdessä Tšekin tasavallan kollegoiden kanssa ehdottaneet menetelmää tämän ongelman ratkaisemiseksi. He päättivät käyttää ns. Kevyttä painetta nesteiden sekoittamiseen.
Brittiläinen tutkija James Maxwell esitti jo 1800-luvun lopulla ajatuksen, että valo voi painostaa fyysisiä esineitä. Pian venäläinen tutkija Pjotr Lebedev osoitti tämän käytännössä. Tämän paineen voima on kuitenkin hyvin pieni, ja noina päivinä sitä ei käytetty. Nyt tällä alalla työskentelee koko fysiikan haara - optomekaniikka (jonka kehittämiseksi vuonna 2018 Nobel-palkinnon sai professori Arthur Ashkin). Valon avulla ne vangitsevat elävät solut, liikuttavat pienimpiä ainehiukkasia ja kuten kävi ilmi, samoja voimia voidaan käyttää nesteiden sekoittamiseen. Tutkijoiden työ julkaistaan Advanced Science -lehdessä.
Viimeisimmän optomekaniikan kehityksen perusteella Pietarin tutkijat ovat kehittäneet nanoantennin, joka on pieni, noin kaksisataa nanometriä kokoinen piikuutio. Tämä silmälle näkymätön laite pystyy hallitsemaan sitä iskevää valoaaltoa. "Nanoantennimme muuntaa ympyrän polarisoidun valon optiseksi pyörreksi", ITMO: n Novy Phystech -yliopiston professori Alexander Shalin selittää, "valoenergia pyörii sen ympärillä."
Nanoantennien lisäksi tutkijat ehdottivat, että nesteeseen johdettaisiin tietty määrä kullan nanohiukkasia. Optisen pyörteen kaapatut hiukkaset alkavat pyöriä piikuuton ympäri, toimien siten erittäin "lusikkana" reagenssien sekoittamiseksi. Lisäksi tämän järjestelmän koko on niin pieni, että se voi lisätä diffuusiota kertoimella 100 mikroreaktorin toisessa päässä, käytännössä vaikuttamatta siihen, mitä toisessa tapahtuu.
"Kulta on kemiallisesti inertti materiaali, joka ei reagoi hyvin", sanoo avustaja Adria Canos Valero, "ja se ei myöskään ole myrkyllinen. Lisäksi meidän oli varmistettava, että vain spin-voimat ja säteilypaine vaikuttavat nanohiukkasiin, mutta ei vetovoimaa nanoantenniin, muuten hiukkaset vain tarttuvat siihen. Tämä vaikutus havaitaan tietyn kokoisilla kultahiukkasilla, jos tavallinen vihreä laser paistaa järjestelmässä. Olemme harkittaneet muita metalleja, mutta esimerkiksi hopealla nämä vaikutukset havaitaan vain ultraviolettispektrissä, mikä on vähemmän kätevää."
Materiaalin tarjoaa ITMO University Press Service
Mainosvideo:
Vasily Makarov