Descobrindo dinâmicas ocultas de estruturas fotônicas naturais usando imagens holográficas

Summary

O papel é focado principalmente no poder combinado de métodos ópticos (lineares e não lineares) e holográficos usados para revelar fenômenos na nanoescala. Os resultados obtidos a partir dos estudos de reações químicas biofotônicas e oscilatórias são dados como exemplos representativos, destacando a capacidade da holografia de revelar dinâmicas em uma nanoescala.

Abstract

Neste método, o potencial da óptica e da holografia para descobrir detalhes ocultos da resposta dinâmica de um sistema natural na nanoescala é explorado. Na primeira parte, são apresentados os estudos ópticos e holográficos de estruturas fotônicas naturais, bem como condições para o aparecimento do efeito fotoforético, ou seja, o deslocamento ou deformação de uma nanoestrutura devido a um gradiente térmico induzido pela luz, na nanoescala. Esse efeito é revelado pela interferometria holográfica digital em tempo real monitorando a deformação das escamas que cobrem as asas dos insetos induzidos pela temperatura. A ligação entre geometria e nanocorrugação que leva ao surgimento do efeito fotoforético é experimentalmente demonstrada e confirmada. Na segunda parte, é mostrado como a holografia pode ser potencialmente usada para descobrir detalhes ocultos no sistema químico com dinâmica não linear, como o fenômeno de transição de fase que ocorre em complexa reação oscilativa de Briggs-Rauscher (BR). O potencial apresentado de holografia na nanoescala poderia abrir enormes possibilidades de controle e moldagem do efeito fotoforético e formação de padrões para várias aplicações, como captura de partículas e levitação, incluindo o movimento de hidrocarbonetos não queimados na atmosfera e separação de diferentes aerossóis, decomposição de microplásticos e fracionamento de partículas em geral, e avaliação da temperatura e condutividade térmica de partículas de combustível de tamanho micron.

Introduction

Para entender e notar todos os fenômenos únicos no nanomundo, é crucial empregar técnicas capazes de revelar todos os detalhes sobre estruturas e dinâmicas na nanoescala. Por conta disso, são apresentadas a combinação única de métodos lineares e não lineares, combinada com o poder da holografia para revelar a dinâmica do sistema na nanoescala.

A técnica holográfica descrita pode ser vista como o método de recuo triplo (rec é a abreviação para gravação), uma vez que em um dado momento o sinal é gravado simultaneamente por uma câmera fotográfica, uma câmera térmica e um interferômetro. Espectroscopia óptica linear e não linear e holografia são técnicas bem conhecidas, dos quais os princípios fundamentais são amplamente descritos na literatura ^1,2.

Para encurtar a história, a interferometria holográfica permite a comparação de frentes de onda registradas em diferentes momentos do tempo para caracterizar a dinâmica do sistema. Foi usado anteriormente para medir a dinâmica vibracional ^3,4. O poder da holografia como o método de interferometria mais simples baseia-se em sua capacidade de detectar o menor deslocamento dentro do sistema. Primeiro, exploramos a holografia para observar e revelar o efeito fotoforético⁵ (ou seja, o deslocamento da deformação de uma nanoestrutura devido a um gradiente térmico induzido pela luz), em diferentes estruturas biológicas. Para uma apresentação verdadeira do método, foram selecionadas amostras representativas a partir de uma série de amostras biológicas testadas⁶. Asas da Rainha da Espanha borboleta fritililária, Issoria lathonia (Linnaeus, 1758; I. lathonia), foram utilizados no âmbito deste estudo.

Depois de ter demonstrado com sucesso a ocorrência de fotoforese na nanoescala em tecidos biológicos, um protocolo semelhante foi aplicado para monitorar o processo de quebra da simetria espontânea⁷ causado por uma transição de fase em uma reação química oscilatória. Nesta parte, foi estudada a transição de fase de baixa concentração de iodeto e iodo (denominado estado I) para uma alta concentração de iodeto e iodo com formação de iodo sólido (definida como estado II) que ocorre em uma reação quimicamente não linear da BR^foi estudada ^8,9. Aqui, relatamos pela primeira vez uma abordagem holográfica que permite estudar tal transição de fase e dinâmica de quebra de simetria espontânea na nanoescala que ocorre em sistemas condensados.

Protocol

1. Precaracterização Realize uma precaracterização completa da amostra. Realize todos os experimentos em espécimes secos comprados de uma fonte comercial. Guarde as amostras em laboratório, em local seco e escuro, em temperatura ambiente. Antes das medições holográficas, realize uma caracterização completa da amostra por meio da varredura do microscópio eletrônico (SEM), espectroscopia óptica linear e microscopia óptica não linear (NOM)10</su…

Representative Results

Um efeito fotoforético foi induzido e monitorado em um primeiro experimento na asa de uma borboleta Morpho menelaus 5. O efeito foi iniciado pela ação de lasers LED de diferentes comprimentos de onda (450 nm, 532 nm, 660 nm e 980 nm). Aqui, as asas de uma borboleta I. lathonia 14 foram usadas. Após o procedimento de gravação, a imagem do holograma foi reconstruída. <img alt="Figu…

Discussion

No estudo biofotônico apresentado, mostra-se que um novo método holográfico pode ser usado para detectar deslocamento morfológico mínimo ou deformação causada por radiação térmica de baixo nível.

O passo mais crítico na medição holográfica com amostras biológicas é a etapa de preparação. A preparação da amostra (corte/colagem para corresponder ao tamanho do suporte) depende das propriedades mecânicas da amostra, e não é possível ter um protocolo padrão para esta etapa…

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	Acrs 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