使用全息成像揭示自然光子结构的隐藏动力学
Summary
该论文主要关注光学（线性和非线性）和全息方法的组合功率，用于揭示纳米级的现象。从生物光子和振荡化学反应研究中获得的结果作为代表性的例子给出，突出了全息术在纳米尺度上揭示动力学的能力。
Abstract
在这种方法中，利用光学和全息技术的潜力来揭示自然系统在纳米级的动态响应的隐藏细节。在第一部分中，介绍了自然光子结构的光学和全息研究以及光速效应出现的条件，即由于光诱导的热梯度引起的纳米结构在纳米尺度上的位移或变形。这种效应通过实时数字全息干涉测量法揭示，监测温度引起的覆盖昆虫翅膀的鳞片变形。导致光驱效应出现的几何形状和纳米矫正之间的联系在实验中得到证明和证实。在第二部分中，展示了全息术如何潜在地用于揭示具有非线性动力学的化学系统中隐藏的细节，例如在复杂振荡Briggs-Rauscher（BR）反应中发生的相变现象。全息术在纳米尺度上呈现的潜力可以为控制和塑造各种应用中的光泳效应和图案形成开辟了巨大的可能性，例如颗粒捕获和悬浮，包括未燃烧的碳氢化合物在大气中的运动和不同气溶胶的分离，微塑料的分解和颗粒的分馏，以及微米级燃料颗粒的温度和导热性的评估。
Introduction
为了充分理解和注意到纳米世界中的所有独特现象，采用能够在纳米尺度上揭示有关结构和动力学的所有细节的技术至关重要。鉴于此，提出了线性和非线性方法的独特组合，结合全息技术在纳米级揭示系统动力学的力量。
所描述的全息技术可以看作是三重rec方法（rec是记录的缩写），因为在给定的时间，信号由照相相机，热像仪和干涉仪同时记录。线性和非线性光学光谱学和全息学是众所周知的技术，其基本原理在文献1，2中得到了广泛的描述。
长话短说，全息干涉测量允许比较在不同时刻记录的波前，以表征系统的动力学。它以前用于测量振动动力学3，4。全息作为最简单的干涉测量方法的强大之处在于其检测系统内最小位移的能力。首先，我们利用全息技术观察并揭示了不同生物结构中的光泳效应5 （即由于光诱导的热梯度引起的纳米结构变形的位移）。为了真实地介绍该方法，从一些测试的生物样品中选择了代表性样品6。西班牙女王的翅膀蝴蝶， Issoria lathonia （Linnaeus，1758; I. lathonia），在本研究的框架内使用。
在成功证明了生物组织中纳米级光泳的发生后，应用类似的方案来监测振荡化学反应中相变引起的自发对称性破坏过程7。在这一部分中，研究了在化学非线性BR反应中发生的从低浓度碘化物和碘（称为状态I）到具有高浓度碘和碘的相变，并形成固体碘（定义为状态II）。在这里，我们首次报告了一种全息方法，可以研究凝聚系统中发生的纳米级相变和自发对称性破坏动力学。
Protocol
Representative Results
Discussion
在所提出的生物光子学研究中，表明一种新的全息方法可用于检测由低水平热辐射引起的最小形态位移或变形。
使用生物样品进行全息测量的最关键步骤是制备步骤。样品的制备（切割/胶合以匹配支架的尺寸）取决于样品的机械性能，并且不可能为此步骤制定标准方案。
关于BR研究，拥有透明的反应容器和相对清晰的光路至关重要，因为化学反应或物理…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M. S. P.，D.G.，D.V.和B.K.承认支持由NATO SPS（北约和平与安全科学）2019-2022资助的多光谱监视的生物和生物启发结构。B. K.，D.V.，B.B.，D.G.和M.S.P.承认贝尔格莱德物理研究所通过塞尔维亚共和国教育，科学和技术发展部的机构资助提供的资金。此外，B. K. 感谢 F R S – FNRS 的支持。M. P.感谢塞尔维亚共和国教育，科学和技术发展部的支持，合同编号451-03-9 / 2021-14 / 200026。S. R. M. 作为博士后研究员，得到了瓦隆大区BEWARE奖学金（第2110034公约）的支持。T. V.感谢大力神基金会的财政支持。D.V.，M.S.P.，D.G.，M.P.，B.B.和B.K.通过研究补助金N62902-22-1-2024感谢全球海军研究办公室的支持。这项研究是部分满足贝尔格莱德大学机械工程学院Marina Simović Pavlović博士学位的要求。
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 |
Riferimenti
- 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).
