חשיפת דינמיקה נסתרת של מבנים פוטוניים טבעיים באמצעות הדמיה הולוגרפית
Summary
המאמר מתמקד בעיקר בהספק המשולב של שיטות אופטיות (ליניאריות ולא ליניאריות) והולוגרפיות המשמשות לחשיפת תופעות בקנה מידה ננומטרי. התוצאות המתקבלות ממחקרי התגובות הכימיות הביופוטוניות והתנודדות ניתנות כדוגמאות מייצגות, המדגישות את יכולתה של ההולוגרפיה לחשוף דינמיקה בקנה מידה ננומטרי.
Abstract
בשיטה זו, הפוטנציאל של אופטיקה והולוגרפיה לחשוף פרטים נסתרים של התגובה הדינמית של מערכת טבעית בקנה מידה ננומטרי מנוצל. בחלק הראשון מוצגים המחקרים האופטיים וההולוגרפיים של מבנים פוטוניים טבעיים, כמו גם תנאים להופעת האפקט הפוטופורטי, כלומר, תזוזה או עיוות של ננו-מבנה עקב שיפוע תרמי המושרה על ידי אור, בקנה מידה ננומטרי. השפעה זו מתגלה על ידי אינטרפרומטריה הולוגרפית דיגיטלית בזמן אמת המנטרת את העיוות של קשקשים המכסים את כנפי החרקים המושרים על ידי הטמפרטורה. הקשר בין גיאומטריה לננו-קורוגציה שמוביל להופעת האפקט הפוטופורטי מודגם ואושר בניסוי. בחלק השני, נראה כיצד ניתן להשתמש בהולוגרפיה כדי לחשוף פרטים נסתרים במערכת הכימית עם דינמיקה לא ליניארית, כגון תופעת מעבר הפאזה המתרחשת בתגובת בריגס-ראושר (BR) מתנודדת מורכבת. הפוטנציאל המוצג של הולוגרפיה בקנה מידה ננומטרי יכול לפתוח אפשרויות עצומות לשליטה ועיצוב של האפקט הפוטופורטי ויצירת תבניות עבור יישומים שונים כגון לכידת חלקיקים וריחוף, כולל תנועה של פחמימנים לא שרופים באטמוספרה והפרדת אירוסולים שונים, פירוק מיקרופלסטיק ופירוק חלקיקים באופן כללי, והערכת טמפרטורה ומוליכות תרמית של חלקיקים בגודל מיקרון.
Introduction
כדי להבין ולהבחין באופן מלא בכל התופעות הייחודיות בננו-עולם, חיוני להשתמש בטכניקות המסוגלות לחשוף את כל הפרטים הנוגעים למבנים ודינמיקה בקנה מידה ננומטרי. על פי חשבון זה, מוצג השילוב הייחודי של שיטות ליניאריות ולא ליניאריות, בשילוב עם כוחה של ההולוגרפיה כדי לחשוף את הדינמיקה של המערכת בקנה מידה ננומטרי.
ניתן לראות את הטכניקה ההולוגרפית המתוארת כשיטת השחזור המשולש (rec הוא הקיצור להקלטה), שכן בזמן נתון האות נרשם בו זמנית על ידי מצלמת צילום, מצלמה תרמית ואינטרפרומטר. ספקטרוסקופיה אופטית ליניארית ולא ליניארית והולוגרפיה הן טכניקות ידועות, שעקרונות היסוד שלהן מתוארים בהרחבה בספרות 1,2.
כדי לקצר סיפור ארוך, אינטרפרומטריה הולוגרפית מאפשרת השוואה של חזיתות גל שנרשמו ברגעים שונים בזמן כדי לאפיין את הדינמיקה של המערכת. הוא שימש בעבר למדידת דינמיקה של רטט 3,4. כוחה של ההולוגרפיה כשיטת האינטרפרומטריה הפשוטה ביותר מבוסס על יכולתה לזהות את התזוזה הקטנה ביותר בתוך המערכת. ראשית, ניצלנו את ההולוגרפיה כדי לצפות ולחשוף את האפקט הפוטופורטי5 (כלומר, תזוזה של דפורמציה של ננו-מבנה עקב שיפוע תרמי הנגרם על ידי אור), במבנים ביולוגיים שונים. להצגה אמיתית של השיטה, נבחרו דגימות מייצגות ממספר דגימות ביולוגיות שנבדקו6. כנפיה של מלכת ספרד פרפר פריטילרי, איסוריה לאתוניה (לינאוס, 1758; I. lathonia), שימשו במסגרת מחקר זה.
לאחר שהדגים בהצלחה את התרחשותה של פוטופורזה בקנה מידה ננומטרי ברקמות ביולוגיות, יושם פרוטוקול דומה כדי לעקוב אחר תהליך שבירת הסימטריה הספונטנית7 הנגרם על ידי מעבר פאזה בתגובה כימית מתנדתית. בחלק זה, המעבר הפאזתי מריכוז נמוך של יודיד ויוד (הנקרא מצב I) לריכוז גבוה של יודיד ויוד עם היווצרות יוד מוצק (המוגדר כמצב II) המתרחש בתגובת BR לא ליניארית מבחינה כימית נחקר 8,9. כאן דיווחנו לראשונה על גישה הולוגרפית המאפשרת לחקור מעבר פאזה כזה ודינמיקה של שבירת סימטריה ספונטנית בקנה מידה ננומטרי המתרחש במערכות מעובות.
Protocol
Representative Results
Discussion
במחקר הביופוטוני המוצג, הוכח כי ניתן להשתמש בשיטה הולוגרפית חדשנית כדי לזהות תזוזה מורפולוגית מינימלית או עיוות הנגרם על ידי קרינה תרמית ברמה נמוכה.
השלב הקריטי ביותר במדידה הולוגרפית עם דגימות ביולוגיות הוא שלב ההכנה. הכנת הדגימה (חיתוך/הדבקה כך שתתאים לגודל המחזיק) תלויה…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M. S. P., D. G., D. V., ו- B. K. מכירים בתמיכה במבנים הביולוגיים והביו-אינסטיים בעלי ההשראה הביולוגית למעקב רב-ספקטרלי, במימון SPS של נאט”ו (מדע נאט”ו לשלום וביטחון) 2019-2022. B. K., D. V., B. B., D. G., ו- M. S. P. מכירים במימון הניתן על ידי המכון לפיזיקה בבלגרד, באמצעות מימון מוסדי על ידי משרד החינוך, המדע והפיתוח הטכנולוגי של הרפובליקה של סרביה. בנוסף, B. K. מכיר בתמיכה של F R S – FNRS. M. P. מכיר בתמיכה של משרד החינוך, המדע והפיתוח הטכנולוגי של הרפובליקה של סרביה, חוזה מספר 451-03-9/2021-14/200026. ס. ר. מ. נתמך על ידי מלגת BEWARE של אזור וולון (כנס מס’ 2110034), כחוקר בתר-דוקטורט. T. V. מכיר בתמיכה כספית מקרן הרקולס. D.V., M.S.P., D.G., M.P., B.B., ו- B.K. מכירים בתמיכת המשרד למחקר ימי גלובלי באמצעות מענק המחקר N62902-22-1-2024. מחקר זה נערך במילוי חלקי של הדרישות לתואר דוקטור של מרינה סימוביץ ‘פבלוביץ ‘באוניברסיטת בלגרד, הפקולטה להנדסת מכונות.
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).
