Avdekke skjult dynamikk i naturlige fotoniske strukturer ved hjelp av holografisk bildebehandling
Summary
Papiret er primært fokusert på den kombinerte kraften til optisk (lineær og ikke-lineær) og holografiske metoder som brukes til å avsløre fenomener på nanoskala. Resultatene fra de biofotoniske og oscillatoriske kjemiske reaksjonenes studier er gitt som representative eksempler, og fremhever holografiens evne til å avsløre dynamikken i nanoskala.
Abstract
I denne metoden utnyttes potensialet for optikk og holografi for å avdekke skjulte detaljer om et naturlig systems dynamiske respons på nanoskalaen. I den første delen presenteres de optiske og holografiske studiene av naturlige fotoniske strukturer samt forhold for utseendet av den fotoforetiske effekten, nemlig forskyvning eller deformasjon av en nanostruktur på grunn av en lysindusert termisk gradient, på nanoskalaen. Denne effekten avsløres av sanntids digital holografisk interferometri som overvåker deformasjonen av skalaer som dekker vingene av insekter indusert av temperatur. Koblingen mellom geometri og nanokorrugasjon som fører til fremveksten av den fotoforetiske effekten er eksperimentelt demonstrert og bekreftet. I den andre delen vises det hvordan holografi potensielt kan brukes til å avdekke skjulte detaljer i det kjemiske systemet med ikke-lineær dynamikk, for eksempel faseovergangsfenomenet som oppstår i komplekse oscillatoriske Briggs-Rauscher (BR) reaksjon. Det presenterte potensialet for holografi på nanoskalaen kan åpne enorme muligheter for å kontrollere og forme den fotoforetiske effekten og mønsterdannelsen for ulike bruksområder som partikkelfangst og levitasjon, inkludert bevegelse av uforbrente hydrokarboner i atmosfæren og separasjon av forskjellige aerosoler, nedbrytning av mikroplast og fraksjonering av partikler generelt, og vurdering av temperatur og termisk ledningsevne av mikron-størrelse drivstoffpartikler.
Introduction
For å fullt ut forstå og legge merke til alle de unike fenomenene i nanoverdenen, er det avgjørende å bruke teknikker som er i stand til å avsløre alle detaljer om strukturer og dynamikk på nanoskalaen. På denne kontoen presenteres den unike kombinasjonen av lineære og ikke-lineære metoder, kombinert med holografiens kraft til å avsløre systemets dynamikk på nanoskalaen.
Den beskrevne holografiske teknikken kan ses på som trippel rec-metoden (rec er forkortelsen for opptak), siden signalet på et gitt tidspunkt samtidig registreres av et fotografisk kamera, et termisk kamera og et interferometer. Lineær og ikke-lineær optisk spektroskopi og holografi er velkjente teknikker, hvis grunnleggende prinsipper er omfattende beskrevet i litteraturen 1,2.
For å kutte en lang historie kort, tillater holografisk interferometri sammenligningen av bølgefronter registrert på forskjellige øyeblikk i tide for å karakterisere dynamikken i systemet. Den ble tidligere brukt til å måle vibrasjonsdynamikk 3,4. Holografiens kraft som den enkleste interferometrimetoden er basert på dens evne til å oppdage den minste forskyvningen i systemet. Først utnyttet vi holografi for å observere og avsløre den fotoforetiske effekten5 (dvs. forskyvning av deformasjon av en nanostruktur på grunn av en lysindusert termisk gradient), i forskjellige biologiske strukturer. For en sann presentasjon av metoden ble representative prøver valgt ut fra en rekke testede biologiske prøver6. Vinger av dronningen av Spania fritillary sommerfugl, Issoria lathonia (Linnaeus, 1758; I. lathonia), ble brukt innenfor rammen av denne studien.
Etter å ha demonstrert forekomsten av fotoforese på nanoskala i biologisk vev, ble en lignende protokoll brukt for å overvåke den spontane symmetribruddsprosessen7 forårsaket av en faseovergang i en oscillatorisk kjemisk reaksjon. I denne delen ble faseovergangen fra en lav konsentrasjon av jod og jod (kalt tilstand I) til en høy konsentrasjon av jod og jod med solid joddannelse (definert som tilstand II) som forekommer i en kjemisk ikke-lineær BR-reaksjon studert 8,9. Her rapporterte vi for første gang en holografisk tilnærming som gjør det mulig å studere en slik faseovergang og spontan symmetribrytende dynamikk på nanoskalaen som forekommer i kondenserte systemer.
Protocol
Representative Results
Discussion
I den presenterte biofotoniske studien er det vist at en ny holografisk metode kan brukes til å oppdage minimal morfologisk forskyvning eller deformasjon forårsaket av lavnivå termisk stråling.
Det mest kritiske trinnet i holografisk måling med biologiske prøver er forberedelsestrinnet. Utarbeidelsen av prøven (kutting/liming for å matche størrelsen på holderen) avhenger av prøvens mekaniske egenskaper, og det er ikke mulig å ha en standardprotokoll for dette trinnet.
<p class=…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M. S. P., D. G., D. V., og B. K. anerkjenner støtte fra de biologiske og bioinspirerte strukturene for multispektral overvåking, finansiert av NATO SPS (NATO Science for Peace and Security) 2019-2022. B. K., D. V., B. B., D. G., og M. S. P. anerkjenner finansiering fra Institutt for fysikk Beograd, gjennom institusjonell finansiering av Departementet for utdanning, vitenskap og teknologisk utvikling avRepublic of Serbia. I tillegg anerkjenner B. K. støtte fra F R S – FNRS. M. P. anerkjenner støtte fra Departementet for utdanning, vitenskap og teknologisk utvikling i Republikken Serbia, kontraktsnummer 451-03-9/2021-14/200026. S. R. M. ble støttet av et BEWARE Fellowship of the Walloon Region (Convention n°2110034), som postdoktor. T. V. anerkjenner økonomisk støtte fra Hercules Foundation. D.V., M.S.P., D.G., M.P., B.B. og B.K. anerkjenner støtten fra Office of Naval Research Global gjennom Forskningsstipendet N62902-22-1-2024. Denne studien ble utført i delvis oppfyllelse av kravene til ph.d.-graden av Marina Simović Pavlović ved Universitetet i Beograd, Fakultet for maskinteknikk.
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).
