Descubriendo la dinámica oculta de las estructuras fotónicas naturales utilizando imágenes holográficas
Summary
El artículo se centra principalmente en el poder combinado de los métodos ópticos (lineales y no lineales) y holográficos utilizados para revelar fenómenos a nanoescala. Los resultados obtenidos de los estudios de reacciones químicas biofotónicas y oscilatorias se dan como ejemplos representativos, destacando la capacidad de la holografía para revelar dinámicas a nanoescala.
Abstract
En este método, se explota el potencial de la óptica y la holografía para descubrir detalles ocultos de la respuesta dinámica de un sistema natural a nanoescala. En la primera parte, se presentan los estudios ópticos y holográficos de estructuras fotónicas naturales, así como las condiciones para la aparición del efecto fotoforético, a saber, el desplazamiento o la deformación de una nanoestructura debido a un gradiente térmico inducido por la luz, a nanoescala. Este efecto se revela mediante interferometría holográfica digital en tiempo real que monitorea la deformación de las escamas que cubren las alas de los insectos inducida por la temperatura. El vínculo entre la geometría y la nanocorrugación que conduce a la aparición del efecto fotoforético se demuestra y confirma experimentalmente. En la segunda parte, se muestra cómo la holografía se puede utilizar potencialmente para descubrir detalles ocultos en el sistema químico con dinámica no lineal, como el fenómeno de transición de fase que ocurre en la reacción oscilatoria compleja de Briggs-Rauscher (BR). El potencial presentado de la holografía a nanoescala podría abrir enormes posibilidades para controlar y moldear el efecto fotoforético y la formación de patrones para diversas aplicaciones, como la captura y levitación de partículas, incluido el movimiento de hidrocarburos no quemados en la atmósfera y la separación de diferentes aerosoles, la descomposición de microplásticos y el fraccionamiento de partículas en general, y la evaluación de la temperatura y la conductividad térmica de partículas de combustible de tamaño micrométrico.
Introduction
Para comprender y notar completamente todos los fenómenos únicos en el nanomundo, es crucial emplear técnicas que sean capaces de revelar todos los detalles relacionados con las estructuras y la dinámica a nanoescala. En esta cuenta, se presenta la combinación única de métodos lineales y no lineales, combinados con el poder de la holografía para revelar la dinámica del sistema a nanoescala.
La técnica holográfica descrita se puede ver como el método de triple rec (rec es la abreviatura de grabación), ya que en un momento dado la señal es grabada simultáneamente por una cámara fotográfica, una cámara térmica y un interferómetro. La espectroscopia óptica lineal y no lineal y la holografía son técnicas bien conocidas, cuyos principios fundamentales se describen ampliamente en la literatura 1,2.
Para abreviar una larga historia, la interferometría holográfica permite la comparación de frentes de onda registrados en diferentes momentos en el tiempo para caracterizar la dinámica del sistema. Anteriormente se utilizaba para medir la dinámica vibracional 3,4. El poder de la holografía como el método de interferometría más simple se basa en su capacidad para detectar el desplazamiento más pequeño dentro del sistema. En primer lugar, explotamos la holografía para observar y revelar el efecto fotoforético5 (es decir, el desplazamiento de la deformación de una nanoestructura debido a un gradiente térmico inducido por la luz), en diferentes estructuras biológicas. Para una verdadera presentación del método, se seleccionaron muestras representativas de una serie de muestras biológicas probadas6. Alas de la mariposa fritillaria reina de España, Issoria lathonia (Linnaeus, 1758; I. lathonia), se utilizaron en el marco de este estudio.
Después de haber demostrado con éxito la ocurrencia de fotoforesis a nanoescala en tejidos biológicos, se aplicó un protocolo similar para monitorear el proceso espontáneo de ruptura de simetría7 causado por una transición de fase en una reacción química oscilatoria. En esta parte, se estudió la transición de fase de una baja concentración de yoduro y yodo (llamada estado I) a una alta concentración de yoduro y yodo con formación de yodo sólido (definido como estado II) que ocurre en una reacción BR químicamente no lineal 8,9. Aquí, informamos por primera vez un enfoque holográfico que permite estudiar tal transición de fase y dinámica de ruptura de simetría espontánea a nanoescala que ocurre en sistemas condensados.
Protocol
Representative Results
Discussion
En el estudio biofotónico presentado, se demuestra que se puede utilizar un nuevo método holográfico para detectar un desplazamiento morfológico mínimo o deformación causada por la radiación térmica de bajo nivel.
El paso más crítico en la medición holográfica con muestras biológicas es el paso de preparación. La preparación de la muestra (corte/ pegado para que coincida con el tamaño del soporte) depende de las propiedades mecánicas de la muestra, y no es posible tener un pro…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M. S. P., D. G., D. V. y B. K. reconocen el apoyo a las estructuras biológicas y bioinspiradas para la vigilancia multiespectral, financiadas por NATO SPS (NATO Science for Peace and Security) 2019-2022. B. K., D. V., B. B., D. G. y M. S. P. reconocen la financiación proporcionada por el Instituto de Física de Belgrado, a través de la financiación institucional del Ministerio de Educación, Ciencia y Desarrollo Tecnológico de la República de Serbia. Además, B. K. reconoce el apoyo de F R S – FNRS. M. P. agradece el apoyo del Ministerio de Educación, Ciencia y Desarrollo Tecnológico de la República de Serbia, número de contrato 451-03-9/2021-14/200026. S. R. M. fue apoyado por una beca BEWARE de la Región Valona (Convención n° 2110034), como investigador postdoctoral. T. V. reconoce el apoyo financiero de la Fundación Hércules. D.V., M.S.P., D.G., M.P., B.B. y B.K. reconocen el apoyo de la Oficina de Investigación Naval Global a través de la Beca de Investigación N62902-22-1-2024. Este estudio se llevó a cabo en cumplimiento parcial de los requisitos para el doctorado de Marina Simović Pavlović en la Universidad de Belgrado, Facultad de Ingeniería Mecánica.
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).
