Holografik Görüntüleme Kullanarak Doğal Fotonik Yapıların Gizli Dinamiklerini Ortaya Çıkarmak
Summary
Makale öncelikle nano ölçekte fenomenleri ortaya çıkarmak için kullanılan optik (doğrusal ve doğrusal olmayan) ve holografik yöntemlerin birleşik gücüne odaklanmıştır. Biyofotonik ve salınımlı kimyasal reaksiyonların çalışmalarından elde edilen sonuçlar, holografinin nano ölçekte dinamikleri ortaya çıkarma yeteneğini vurgulayan temsili örnekler olarak verilmiştir.
Abstract
Bu yöntemde, optik ve holografinin, doğal bir sistemin nano ölçekte dinamik tepkisinin gizli ayrıntılarını ortaya çıkarma potansiyelinden yararlanılır. İlk bölümde, doğal fotonik yapıların optik ve holografik çalışmalarının yanı sıra, fotoforetik etkinin, yani ışık kaynaklı bir termal gradyan nedeniyle bir nanoyapının nano ölçekte yer değiştirmesi veya deformasyonunun ortaya çıkması için koşullar sunulmaktadır. Bu etki, sıcaklığın neden olduğu böceklerin kanatlarını kaplayan ölçeklerin deformasyonunu izleyen gerçek zamanlı dijital holografik interferometri ile ortaya çıkar. Fotoforetik etkinin ortaya çıkmasına yol açan geometri ve nanooluklu arasındaki bağlantı deneysel olarak gösterilmekte ve doğrulanmaktadır. İkinci bölümde, holografinin, karmaşık salınımlı Briggs-Rauscher (BR) reaksiyonunda meydana gelen faz geçişi fenomeni gibi, doğrusal olmayan dinamiklerle kimyasal sistemdeki gizli ayrıntıları ortaya çıkarmak için potansiyel olarak nasıl kullanılabileceği gösterilmiştir. Nano ölçekte holografinin sunulan potansiyeli, atmosferde yanmamış hidrokarbonların hareketi ve farklı aerosollerin ayrılması, mikroplastiklerin ayrışması ve genel olarak parçacıkların parçalanması ve mikron boyutundaki yakıt parçacıklarının sıcaklığının ve termal iletkenliğinin değerlendirilmesi de dahil olmak üzere parçacık yakalama ve levitasyon gibi çeşitli uygulamalar için fotoforetik etkiyi ve desen oluşumunu kontrol etmek ve kalıplamak için muazzam olanaklar açabilir.
Introduction
Nanodünyadaki tüm benzersiz fenomenleri tam olarak anlamak ve fark etmek için, nano ölçekte yapılar ve dinamiklerle ilgili tüm ayrıntıları ortaya çıkarabilecek tekniklerin kullanılması çok önemlidir. Bu bağlamda, doğrusal ve doğrusal olmayan yöntemlerin benzersiz kombinasyonu, sistemin dinamiklerini nano ölçekte ortaya çıkarmak için holografinin gücü ile birleştirilmiştir.
Tanımlanan holografik teknik, üçlü rec yöntemi olarak görülebilir (rec, kaydın kısaltmasıdır), çünkü belirli bir zamanda sinyal aynı anda bir fotoğraf kamerası, bir termal kamera ve bir interferometre tarafından kaydedilir. Doğrusal ve doğrusal olmayan optik spektroskopi ve holografi, temel ilkeleri literatürde kapsamlı bir şekilde açıklanan iyi bilinen tekniklerdir 1,2.
Uzun lafın kısası, holografik interferometri, sistemin dinamiklerini karakterize etmek için zamanın farklı anlarında kaydedilen dalga cephelerinin karşılaştırılmasına izin verir. Daha önce titreşim dinamiklerini ölçmek için kullanıldı 3,4. Holografinin en basit interferometri yöntemi olarak gücü, sistem içindeki en küçük yer değiştirmeyi tespit etme yeteneğine dayanmaktadır. İlk olarak, farklı biyolojik yapılardaki fotoforetik etki5’i (yani, ışık kaynaklı bir termal gradyan nedeniyle bir nanoyapının deformasyonunun yer değiştirmesi) gözlemlemek ve ortaya çıkarmak için holografiden yararlandık. Yöntemin gerçek bir sunumu için, test edilmiş bir dizi biyolojik örnekten temsili örnekler seçildi6. İspanya Kraliçesi’nin kanatları fritillary kelebeği, Issoria lathonia (Linnaeus, 1758; Bu çalışma çerçevesinde I. lathonia) kullanılmıştır.
Biyolojik dokularda nano ölçekte fotoforez oluşumunu başarıyla gösterdikten sonra, salınımlı bir kimyasal reaksiyondaki bir faz geçişinin neden olduğu kendiliğinden simetri kırılma işlemi7’yi izlemek için benzer bir protokol uygulandı. Bu bölümde, düşük konsantrasyonda iyot ve iyottan (durum I olarak adlandırılır) kimyasal olarak doğrusal olmayan bir BR reaksiyonunda meydana gelen katı iyot oluşumuna (durum II olarak tanımlanan) sahip yüksek konsantrasyonda iyodür ve iyota faz geçişi incelenmiştir 8,9. Burada, ilk kez, yoğunlaştırılmış sistemlerde meydana gelen nano ölçekte böyle bir faz geçişini ve kendiliğinden simetri kırılma dinamiklerini incelemeye izin veren holografik bir yaklaşım bildirdik.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sunulan biyofotonik çalışmada, düşük seviyeli termal radyasyonun neden olduğu minimum morfolojik yer değiştirme veya deformasyonu tespit etmek için yeni bir holografik yöntemin kullanılabileceği gösterilmiştir.
Biyolojik örneklerle holografik ölçümde en kritik adım hazırlık aşamasıdır. Numunenin hazırlanması (tutucunun boyutuna uyacak şekilde kesme/yapıştırma), numunenin mekanik özelliklerine bağlıdır ve bu adım için standart bir protokole sahip olmak mümk…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M. S. P., D. G., D. V. ve B. K., NATO SPS (NATO Barış ve Güvenlik için Bilim) 2019-2022 tarafından finanse edilen multispektral gözetim için Biyolojik ve biyolojik ilham veren yapıların desteğini kabul eder. B. K., D. V., B. B., D. G. ve M. S. P., Sırbistan Cumhuriyeti Eğitim, Bilim ve Teknolojik Kalkınma Bakanlığı’nın kurumsal finansmanı aracılığıyla Belgrad Fizik Enstitüsü tarafından sağlanan finansmanı kabul eder. Ek olarak, B. K. F R S – FNRS’nin desteğini kabul eder. M. P., Sırbistan Cumhuriyeti Eğitim, Bilim ve Teknolojik Kalkınma Bakanlığı’nın 451-03-9/2021-14/200026 numaralı sözleşme numarasını kabul eder. S. R. M., doktora sonrası araştırmacı olarak Valon Bölgesi BEWARE Bursu (Konvansiyon n° 2110034) tarafından desteklenmiştir. T. V., Herkül Vakfı’nın finansal desteğini kabul eder. D.V., M.S.P., D.G., M.P., B.B. ve B.K., N62902-22-1-2024 Araştırma Bursu aracılığıyla Küresel Deniz Araştırmaları Ofisi’nin desteğini kabul eder. Bu çalışma, Belgrad Üniversitesi Makine Mühendisliği Fakültesi’nde Marina Simović Pavlović’in doktora derecesi için gerekliliklerin kısmen yerine getirilmesinde gerçekleştirilmiştir.
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
- Pietrzyk, D. J., Frank, C. W. Development of an analytical method. Analytical Chemistry. , 10-19 (1979).
- Ostrovsky, Y. I., Shchepinov, V. P., Yakovlev, V. V. . Holographic Interferometry in Experimental Mechanics. 60, (2013).
- Pedrini, G., Osten, W., Gusev, M. E. High-speed digital holographic interferometry for vibration measurement. Applied Optics. 45 (15), 3456-3462 (2006).
- Pantelić, D. V., Grujić, D. &. #. 3. 8. 1. ;., Vasiljević, D. M. S. i. n. g. l. e. -. b. e. a. m. dual-view digital holographic interferometry for biomechanical strain measurements of biological objects. Journal of Biomedical Optics. 19 (12), 127005 (2014).
- Grujić, D., et al. Infrared camera on butterfly’s wing. Optics Express. 26 (11), 14143-14158 (2018).
- Mouchet, S. R., Deparis, O. . Natural Photonics and Bioinspiration. , (2021).
- Pagnacco, M. C., et al. Spontaneous symmetry breaking: the case of crazy clock and beyond. Symmetry. 14, 413 (2022).
- Pagnacco, M. C., Maksimovic, J. P., Potkonjak, N. I., Božić, B. &. #. 2. 7. 2. ;., Horvath, A. K. Transition from low to high iodide and iodine concentration states in the Briggs-Rauscher reaction: evidence on crazy clock behavior. The Journal of Physical Chemistry A. 122 (2), 482-491 (2018).
- Pagnacco, M. C., Maksimović, J. P., Janković, B. &. #. 3. 8. 1. ;. Analysis of transition from low to high iodide and iodine state in the Briggs-Rauscher oscillatory reaction containing malonic acid using Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami (KJMA) theory. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysts. 123 (1), 61-80 (2018).
- Mouchet, S. R., et al. Unveiling the non-linear optical response of Trichtenotoma childreni longhorn bestle. Journal of Biophotonics. 12 (9), 201800470 (2019).
- Shimobaba, T., et al. Computational wave optics library for C++: CWO++ library. Computer Physics Communications. 183 (5), 1124-1138 (2012).
- Grujic, D. . Application of digital holography for detection of infrared radiation on biophotonic structures. , (2022).
- Muffoletto, R. P., Tyler, J. M., Tohline, J. E. Shifted Fresnel diffraction for computational holography. Optical Express. 15 (9), 5631-5640 (2007).
- Pavlović, D., et al. Naturally safe: Cellular noise for document security. Journal of Biophotonics. 12 (12), 201900218 (2019).
- Bray, W. C. A periodic reaction inhomogeneous solution and its relation to catalysis. Journal of the American Chemical Society. 43 (6), 1262-1267 (1921).
- Nicolis, G. Self-organization in nonequilibrium systems. Dissipative Structures to Order through Fluctuations. , 339-426 (1977).
- Prigogine, I., Hiebert, E. N. From being to becoming: Time and complexity in the physical sciences. Physics Today. 35 (1), 69 (1982).
- Nikolova, L., Ramanujam, P. S. . Polarization Holography. , (2009).
- Haisch, C., Kykal, C., Niessner, R. Photophoretic velocimetry for the characterization of aerosols. Analytical Chemistry. 80 (5), 1546-1551 (2008).
- Kononenko, V. L., et al. Feasibility studies on photophoretic effects in field-flow fractionation of particles. Journal of Liquid Chromatography & Related Technologies. 20 (16-17), 2907-2929 (1997).
- Zhang, X., Bar-Ziv, E. A novel approach to determine thermal conductivity of micron-sized fuel particles. Combustion Science and Technology. 130 (1-6), 79-95 (1997).
