홀로그램 이미징을 사용하여 자연 광자 구조의 숨겨진 역학 발견
Summary
이 논문은 주로 나노 규모의 현상을 밝히는 데 사용되는 광학 (선형 및 비선형)과 홀로그램 방법의 결합 된 힘에 중점을 둡니다. 바이오 포토닉 및 진동 화학 반응의 연구에서 얻은 결과는 대표적인 예로서 제시되며, 나노 규모에서 역학을 드러내는 홀로그래피의 능력을 강조합니다.
Abstract
이 방법에서는 나노 규모에서 자연 시스템의 동적 반응에 대한 숨겨진 세부 사항을 발견하기위한 광학 및 홀로그래피의 잠재력이 활용됩니다. 첫 번째 부분에서, 천연 광자 구조의 광학 및 홀로그램 연구는 광영동 효과의 출현을위한 조건뿐만 아니라, 즉 나노 규모에서 광유도 열 구배로 인한 나노 구조의 변위 또는 변형을 제시한다. 이 효과는 온도에 의해 유도 된 곤충의 날개를 덮고있는 비늘의 변형을 모니터링하는 실시간 디지털 홀로그램 간섭 측정법에 의해 드러납니다. 광영동 효과의 출현으로 이어지는 기하학과 나노 주름 사이의 연관성이 실험적으로 입증되고 확인됩니다. 두 번째 부분에서는 홀로그래피가 복잡한 진동 브릭스-라우셔 (BR) 반응에서 발생하는 상전이 현상과 같은 비선형 역학을 가진 화학 시스템의 숨겨진 세부 사항을 밝히기 위해 잠재적으로 어떻게 사용될 수 있는지 보여줍니다. 나노 규모의 홀로그래피의 제시된 잠재력은 대기 중 연소되지 않은 탄화수소의 이동 및 다른 에어로졸의 분리, 미세 플라스틱의 분해 및 일반적으로 입자의 분별, 미크론 크기의 연료 입자의 온도 및 열전도도 평가를 포함하여 입자 포획 및 부상과 같은 다양한 응용 분야에 대한 광영동 효과 및 패턴 형성을 제어하고 성형 할 수있는 엄청난 가능성을 열어 줄 수 있습니다.
Introduction
나노 세계의 모든 독특한 현상을 완전히 이해하고 알아 차리려면 나노 규모의 구조와 역학에 관한 모든 세부 사항을 밝힐 수있는 기술을 사용하는 것이 중요합니다. 이 계정에서, 선형 및 비선형 방법의 독특한 조합, 나노 규모에서 시스템의 역학을 드러내는 홀로그래피의 힘과 결합 된 것이 제시됩니다.
설명된 홀로그램 기술은 주어진 시간에 신호가 사진 카메라, 열상 카메라 및 간섭계에 의해 동시에 기록되기 때문에 트리플 레코딩 방법(rec는 녹화의 약어임)으로 볼 수 있다. 선형 및 비선형 광학 분광법 및 홀로그래피는 잘 알려진 기술이며, 그 기본 원리는 문헌 1,2에 광범위하게 설명되어 있습니다.
긴 이야기를 짧게 줄이기 위해 홀로그램 간섭 측정은 시스템의 역학을 특성화하기 위해 서로 다른 순간에 기록 된 웨이브 프론트를 비교할 수있게합니다. 이전에는 진동 역학 3,4를 측정하는 데 사용되었습니다. 가장 간단한 간섭 측정 방법으로서의 홀로그래피의 힘은 시스템 내에서 가장 작은 변위를 감지하는 능력에 기반합니다. 첫째, 우리는 홀로그래피를 이용하여 다른 생물학적 구조에서 광영동 효과5 (즉, 광유도 열 구배로 인한 나노 구조의 변형의 변위)를 관찰하고 밝혔습니다. 상기 방법의 진정한 프리젠테이션을 위해, 대표적인 샘플은 다수의 시험된 생물학적 표본6으로부터 선택되었다. 스페인 여왕의 날개 fritillary 나비, Issoria lathonia (Linnaeus, 1758; I. 라토니아)를 본 연구의 틀에서 사용하였다.
생물학적 조직에서 나노스케일에서의 광영동(photophoresis)의 발생을 성공적으로 입증한 후에, 진동 화학 반응에서의 상전이에 의해 야기된 자발적 대칭 파단 과정(7)을 모니터링하기 위해 유사한 프로토콜이 적용되었다. 이 부분에서, 화학적으로 비선형 BR 반응에서 발생하는 낮은 농도의 요오드 및 요오드 (상태 I이라고 함)에서 고농도의 요오드 및 요오드와 고체 요오드 형성 (상태 II로 정의됨)으로의 상 전이가 연구되었다 8,9. 여기에서, 우리는 응축 된 시스템에서 발생하는 나노 규모에서 그러한 위상 전이와 자발적 대칭 파괴 역학을 연구 할 수있는 홀로그램 접근법을 처음으로보고했습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
제시된 바이오 포토닉 연구에서, 새로운 홀로그램 방법을 사용하여 낮은 수준의 열 복사로 인한 최소한의 형태 학적 변위 또는 변형을 감지 할 수 있음을 보여주었습니다.
생물학적 샘플을 사용한 홀로그램 측정에서 가장 중요한 단계는 준비 단계입니다. 샘플의 준비 (홀더의 크기와 일치하는 절단 / 접착)는 샘플의 기계적 특성에 따라 다르며이 단계에 대한 표준 프로토콜을 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M. S. P., D. G., D. V., 및 B. K.는 NATO SPS (NATO Science for Peace and Security) 2019-2022가 자금을 지원한 다중 스펙트럼 감시를위한 생물학적 및 생물 영감을받은 구조의 지원을 인정합니다. B. K., D. V., B. B., D. G., 및 M. S. P.는 세르비아 공화국의 교육, 과학 및 기술 개발부의 기관 기금을 통해 베오그라드 물리학 연구소가 제공 한 자금을 인정합니다. 또한 B. K.는 F R S – FNRS의 지원을 인정합니다. M. P.는 세르비아 공화국 교육, 과학 기술 개발부, 계약 번호 451-03-9/2021-14/200026의 지원을 인정합니다. S. R. M.은 박사후 연구원으로서 Walloon 지역의 BEWARE Fellowship (Convention n°2110034)의 지원을 받았다. T. V.는 헤라클레스 재단의 재정 지원을 인정합니다. D.V., M.S.P., D.G., M.P., B.B., B.K.는 연구 보조금 N62902-22-1-2024를 통해 해군 연구 글로벌 사무소의 지원을 인정합니다. 이 연구는 베오그라드 대학 기계 공학 학부의 마리나 Simović Pavlović의 박사 학위에 대한 요구 사항을 부분적으로 이행하여 수행되었습니다.
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
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