Scoprire le dinamiche nascoste delle strutture fotoniche naturali utilizzando l'imaging olografico
Summary
Il documento si concentra principalmente sulla potenza combinata dei metodi ottici (lineari e non lineari) e olografici utilizzati per rivelare fenomeni su scala nanometrica. I risultati ottenuti dagli studi sulle reazioni chimiche biofotoniche e oscillatorie sono forniti come esempi rappresentativi, evidenziando la capacità dell’olografia di rivelare dinamiche su scala nanometrica.
Abstract
In questo metodo, viene sfruttato il potenziale dell’ottica e dell’olografia per scoprire dettagli nascosti della risposta dinamica di un sistema naturale su scala nanometrica. Nella prima parte vengono presentati gli studi ottici e olografici delle strutture fotoniche naturali e le condizioni per l’aspetto dell’effetto fotoforetico, vale a dire lo spostamento o la deformazione di una nanostruttura a causa di un gradiente termico indotto dalla luce, su scala nanometrica. Questo effetto è rivelato dall’interferometria olografica digitale in tempo reale che monitora la deformazione delle squame che coprono le ali degli insetti indotta dalla temperatura. Il legame tra geometria e nanocorrugazione che porta all’emergere dell’effetto fotoforetico è sperimentalmente dimostrato e confermato. Nella seconda parte, viene mostrato come l’olografia possa essere potenzialmente utilizzata per scoprire dettagli nascosti nel sistema chimico con dinamica non lineare, come il fenomeno di transizione di fase che si verifica in una complessa reazione oscillatoria di Briggs-Rauscher (BR). Il potenziale presentato dell’olografia su scala nanometrica potrebbe aprire enormi possibilità per il controllo e lo stampaggio dell’effetto fotoforetico e della formazione di modelli per varie applicazioni come l’intrappolamento e la levitazione di particelle, tra cui il movimento di idrocarburi incombusti nell’atmosfera e la separazione di diversi aerosol, la decomposizione delle microplastiche e il frazionamento delle particelle in generale e la valutazione della temperatura e della conduttività termica delle particelle di combustibile di dimensioni micron.
Introduction
Per comprendere e notare appieno tutti i fenomeni unici nel nanomondo, è fondamentale impiegare tecniche in grado di rivelare tutti i dettagli riguardanti strutture e dinamiche su scala nanometrica. Per questo motivo, viene presentata la combinazione unica di metodi lineari e non lineari, combinata con il potere dell’olografia di rivelare le dinamiche del sistema su scala nanometrica.
La tecnica olografica descritta può essere vista come il metodo triple rec (rec è l’abbreviazione di registrazione), poiché in un dato momento il segnale viene registrato contemporaneamente da una fotocamera fotografica, una telecamera termica e un interferometro. La spettroscopia ottica lineare e non lineare e l’olografia sono tecniche ben note, i cui principi fondamentali sono ampiamente descritti nella letteratura 1,2.
Per farla breve, l’interferometria olografica consente il confronto di fronti d’onda registrati in diversi momenti nel tempo per caratterizzare la dinamica del sistema. In precedenza era usato per misurare la dinamica vibrazionale 3,4. La potenza dell’olografia come metodo interferometrico più semplice si basa sulla sua capacità di rilevare il più piccolo spostamento all’interno del sistema. In primo luogo, abbiamo sfruttato l’olografia per osservare e rivelare l’effetto fotoforetico5 (cioè lo spostamento della deformazione di una nanostruttura a causa di un gradiente termico indotto dalla luce), in diverse strutture biologiche. Per una vera presentazione del metodo, sono stati selezionati campioni rappresentativi da una serie di campioni biologici testati6. Ali della farfalla fritillaria della regina di Spagna, Issoria lathonia (Linneo, 1758; I. lathonia), sono stati utilizzati nel quadro di questo studio.
Dopo aver dimostrato con successo la presenza di fotoforesi su scala nanometrica nei tessuti biologici, è stato applicato un protocollo simile per monitorare il processo spontaneo di rottura della simmetria7 causato da una transizione di fase in una reazione chimica oscillatoria. In questa parte, è stata studiata la transizione di fase da una bassa concentrazione di ioduro e iodio (chiamato stato I) ad un’alta concentrazione di ioduro e iodio con formazione di iodio solido (definito come stato II) che si verifica in una reazione BR chimicamente non lineare 8,9. Qui, abbiamo riportato per la prima volta un approccio olografico che consente di studiare una tale transizione di fase e dinamiche spontanee di rottura della simmetria su scala nanometrica che si verificano in sistemi condensati.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nello studio biofotonico presentato, è dimostrato che un nuovo metodo olografico può essere utilizzato per rilevare uno spostamento morfologico minimo o una deformazione causata da radiazioni termiche di basso livello.
La fase più critica nella misurazione olografica con campioni biologici è la fase di preparazione. La preparazione del campione (taglio/incollaggio per adeguarsi alle dimensioni del supporto) dipende dalle proprietà meccaniche del campione e non è possibile avere un protoc…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M. S. P., D. G., D. V. e B. K. riconoscono il sostegno alle strutture biologiche e bioispirate per la sorveglianza multispettrale, finanziate da NATO SPS (NATO Science for Peace and Security) 2019-2022. B. K., D. V., B. B., D. G. e M. S. P. riconoscono i finanziamenti forniti dall’Istituto di Fisica di Belgrado, attraverso il finanziamento istituzionale del Ministero dell’Istruzione, della Scienza e dello Sviluppo Tecnologico della Repubblica di Serbia. Inoltre, B. K. riconosce il supporto di F R S – FNRS. M. P. riconosce il sostegno del Ministero dell’Istruzione, della Scienza e dello Sviluppo Tecnologico della Repubblica di Serbia, numero di contratto 451-03-9/2021-14/200026. S. R. M. è stato sostenuto da una BEWARE Fellowship della Regione Vallonia (Convention n°2110034), come ricercatore post-dottorato. T. V. riconosce il sostegno finanziario della Hercules Foundation. D.V., M.S.P., D.G., M.P., B.B. e B.K. riconoscono il sostegno dell’Office of Naval Research Global attraverso il Research Grant N62902-22-1-2024. Questo studio è stato condotto in parziale adempimento dei requisiti per il dottorato di ricerca di Marina Simović Pavlović presso l’Università di Belgrado, Facoltà di Ingegneria Meccanica.
Materials
| Active Vibration Isolation, Four Optical Table Supports | Thorlabs | PTR502 | High Load Capacity: 2,500 kg, Height 600 mm |
| Cuvette | Standard glass cuvette | ||
| Holographic camera (optical camera for holography) | Cannon | EOS 50D | Sensor Size 22.3 x 14.9 mm; Pixel pitch 4.69 µm; Max. resolution 4752 x 3168; JPEG file format |
| Hydrogen peroxide, H2O2 | Merck (Darmstadt, Germany) | ||
| Laser | Laser Quantum | Torus 532 laser | Wavelength 532 nm; Power 390 mW; Coherence length 10 m |
| LED lasers | |||
| Malonic acid, C3H4O4 | Acr s Organics (Geel, Belgium) |
||
| Manganese sulphate, MnSO4 | Fluka (Buchs, Switzerlend) | ||
| Nonlinear optical microscope | IPB | ||
| Optical accessories | Thorlab | ||
| Optical spectroscope | |||
| Optical table | Thorlabs | TOP450II PTR52509 | dimensions 2000*1250*310 mm |
| Perchloric acid, HClO4 | Merck (Darmstadt, Germany) | ||
| Potassium iodate, KIO3 | Merck (Darmstadt, Germany) | ||
| Software | Home-build software made by one of the authors: Dusan Grujic. This software was conducted in partial fulfillment of the requirements for the PhD deegree of D.G. | ||
| Thermal camera | Flir | A65 | 640×512 pixel; Thermal resolution 50 mK |
| Video camera | Nikon | 1v3 | 18.4 Mpixel; 60 fps |
References
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