Aufdecken verborgener Dynamiken natürlicher photonischer Strukturen mit holographischer Bildgebung
Summary
Das Papier konzentriert sich in erster Linie auf die kombinierte Kraft von optischen (linear und nichtlinear) und holographischen Methoden, die verwendet werden, um Phänomene auf der Nanoskala aufzudecken. Die Ergebnisse der biophotonischen und oszillatorischen chemischen Reaktionen werden als repräsentative Beispiele angeführt, die die Fähigkeit der Holographie unterstreichen, die Dynamik auf einer Nanoskala aufzudecken.
Abstract
Bei dieser Methode wird das Potenzial von Optik und Holographie ausgeschöpft, verborgene Details der dynamischen Reaktion eines natürlichen Systems auf der Nanoskala aufzudecken. Im ersten Teil werden die optischen und holographischen Untersuchungen natürlicher photonischer Strukturen sowie die Bedingungen für das Auftreten des photophoretischen Effekts, nämlich der Verschiebung oder Verformung einer Nanostruktur aufgrund eines lichtinduzierten thermischen Gradienten, auf der Nanoskala vorgestellt. Dieser Effekt wird durch die digitale holographische Echtzeit-Interferometrie aufgedeckt, die die Verformung von Schuppen überwacht, die die Flügel von Insekten bedecken, die durch die Temperatur induziert werden. Der Zusammenhang zwischen Geometrie und Nanokorrugation, der zur Entstehung des photophoretischen Effekts führt, ist experimentell nachgewiesen und bestätigt. Im zweiten Teil wird gezeigt, wie die Holographie möglicherweise verwendet werden kann, um verborgene Details im chemischen System mit nichtlinearer Dynamik aufzudecken, wie z.B. das Phasenübergangsphänomen, das in einer komplexen oszillierenden Briggs-Rauscher-Reaktion (BR) auftritt. Das vorgestellte Potenzial der Holographie auf der Nanoskala könnte enorme Möglichkeiten zur Kontrolle und Formung des photophoretischen Effekts und der Musterbildung für verschiedene Anwendungen wie Partikeleinfang und Levitation eröffnen, einschließlich der Bewegung unverbrannter Kohlenwasserstoffe in der Atmosphäre und der Trennung verschiedener Aerosole, Zersetzung von Mikroplastik und Fraktionierung von Partikeln im Allgemeinen sowie Bewertung der Temperatur und Wärmeleitfähigkeit von Brennstoffpartikeln in Mikrometergröße.
Introduction
Um alle einzigartigen Phänomene in der Nanowelt vollständig zu verstehen und zu bemerken, ist es wichtig, Techniken anzuwenden, die in der Lage sind, alle Details in Bezug auf Strukturen und Dynamik auf der Nanoskala aufzudecken. Aus diesem Grund wird die einzigartige Kombination von linearen und nichtlinearen Methoden in Kombination mit der Kraft der Holographie vorgestellt, um die Dynamik des Systems auf der Nanoskala aufzudecken.
Die beschriebene holographische Technik kann als Triple-Rec-Verfahren (rec ist die Abkürzung für Aufzeichnung) angesehen werden, da das Signal zu einem bestimmten Zeitpunkt gleichzeitig von einer Fotokamera, einer Wärmebildkamera und einem Interferometer aufgezeichnet wird. Lineare und nichtlineare optische Spektroskopie und Holographie sind bekannte Techniken, deren Grundprinzipien in der Literatur ausführlich beschrieben werden 1,2.
Um es kurz zu machen, die holographische Interferometrie ermöglicht den Vergleich von Wellenfronten, die zu verschiedenen Zeitpunkten aufgezeichnet wurden, um die Dynamik des Systems zu charakterisieren. Es wurde zuvor verwendet, um die Schwingungsdynamik 3,4 zu messen. Die Leistungsfähigkeit der Holographie als einfachste Interferometrie-Methode beruht auf ihrer Fähigkeit, die kleinste Verschiebung innerhalb des Systems zu erkennen. Zuerst nutzten wir die Holographie, um den photophoretischen Effekt5 (d.h. die Verschiebung der Verformung einer Nanostruktur aufgrund eines lichtinduzierten thermischen Gradienten) in verschiedenen biologischen Strukturen zu beobachten und aufzudecken. Für eine wahrheitsgetreue Darstellung der Methode wurden repräsentative Proben aus einer Reihe von getesteten biologischen Probenausgewählt 6. Flügel der Königin von Spanien Fritillärschmetterling, Issoria lathonia (Linnaeus, 1758; I. lathonia) wurden im Rahmen dieser Studie verwendet.
Nachdem das Auftreten von Photophorese auf der Nanoskala in biologischen Geweben erfolgreich nachgewiesen wurde, wurde ein ähnliches Protokoll angewendet, um den spontanen Symmetriebruchprozess7 zu überwachen, der durch einen Phasenübergang in einer oszillierenden chemischen Reaktion verursacht wurde. In diesem Teil wurde der Phasenübergang von einer niedrigen Konzentration von Jodid und Jod (genannt Zustand I) zu einer hohen Konzentration von Jodid und Jod mit fester Jodbildung (definiert als Zustand II), die in einer chemisch nichtlinearen BR-Reaktion auftritt, untersucht 8,9. Hier berichteten wir zum ersten Mal über einen holographischen Ansatz, der es ermöglicht, einen solchen Phasenübergang und eine spontane symmetriebrechende Dynamik auf der Nanoskala zu untersuchen, die in kondensierten Systemen auftritt.
Protocol
Representative Results
Discussion
In der vorgestellten biophotonischen Studie wird gezeigt, dass eine neuartige holographische Methode verwendet werden kann, um minimale morphologische Verschiebung oder Verformung durch schwache Wärmestrahlung nachzuweisen.
Der kritischste Schritt bei der holographischen Messung mit biologischen Proben ist der Vorbereitungsschritt. Die Vorbereitung der Probe (Schneiden/Kleben entsprechend der Größe des Halters) hängt von den mechanischen Eigenschaften der Probe ab, und es ist nicht möglic…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M. S. P., D. G., D. V. und B. K. würdigen die Unterstützung der biologischen und bioinspirierten Strukturen für die multispektrale Überwachung, die von NATO SPS (NATO Science for Peace and Security) 2019-2022 finanziert werden. B. K., D. V., B. B., D. G. und M. S. P. erkennen die Finanzierung durch das Institut für Physik Belgrad durch die institutionelle Finanzierung durch das Ministerium für Bildung, Wissenschaft und technologische Entwicklung der Republik Serbien an. Darüber hinaus dankt B. K. der Unterstützung durch F R S – FNRS. M. P. dankt der Unterstützung des Ministeriums für Bildung, Wissenschaft und technologische Entwicklung der Republik Serbien, Vertragsnummer 451-03-9/2021-14/200026. S. R. M. wurde durch ein BEWARE Fellowship der Wallonischen Region (Convention n°2110034) als Postdoktorand unterstützt. T. V. würdigt die finanzielle Unterstützung durch die Hercules Foundation. D.V., M.S.P., D.G., M.P., B.B. und B.K. bestätigen die Unterstützung des Office of Naval Research Global durch den Forschungszuschuss N62902-22-1-2024. Diese Studie wurde in teilweiser Erfüllung der Anforderungen für den Doktortitel von Marina Simović Pavlović an der Universität Belgrad, Fakultät für Maschinenbau, durchgeführt.
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).
