Kleine moleculaire krachten aan het oppervlak van waterdruppels kunnen een grote rol spelen bij de emissie van laseruitgangen. Als de meest fundamentele matrix van het leven, water drijft tal van essentiële biologische activiteiten aan, door interacties met biomoleculen en organismen. Het bestuderen van de mechanische effecten van water-geïnfecteerde interacties draagt ​​bij tot het begrip van biochemische processen. Volgens Yu-Cheng Chen, hoogleraar elektronica aan de Nanyang Technological University (NTU), "Als water in wisselwerking staat met een oppervlak, de hydrofobiciteit aan het bio-interface bepaalt voornamelijk het mechanische evenwicht van het water. Moleculaire hydrofobiciteit aan het grensvlak kan dienen als basis voor het monitoren van subtiele biomoleculaire interacties en dynamiek."

Waterdruppels zijn gebruikt om biologische microlasers te vormen die gebruikmaken van het intrinsieke vermogen van water om licht te beperken met minimale verstrooiing. Druppellasers profiteren van laseroscillatie in een microholte, zodat alle subtiele veranderingen die door het versterkingsmedium of de holte worden veroorzaakt, kunnen worden versterkt, wat leidt tot dramatische veranderingen van de laseremissie-eigenschappen. Terwijl druppellasers geavanceerde platforms zijn geworden in biochemische/fysische studies en biomedische toepassingen, de optische interactie tussen druppelresonatoren en een interface is onbekend gebleven.

Zoals gemeld in Geavanceerde fotonica , Chen's NTU-team ontdekte onlangs dat wanneer een waterdruppel in wisselwerking staat met een oppervlak om een ​​contacthoek te vormen, de grensvlakmoleculaire krachten bepalen de geometrie van een druppelresonator. Dramatische mechanische veranderingen aan het grensvlak spelen een belangrijke rol in de optische oscillatie van druppelresonatoren.

Chen's groep ontdekte een oscillatiemechanisme van druppelresonatoren, waarin de laser resoneert langs de druppel-luchtinterface in het verticale vlak. Chen merkt op dat deze verticaal georiënteerde 'regenboogachtige' of 'boogachtige' lasermodus heen en weer reflecteert tussen de twee uiteinden van de druppelinterface, vormen een unieke en extreem sterke laseremissie. Chen's team merkte dat, in tegenstelling tot de veelvoorkomende fluistergalerijmodus (WGM), dit nieuw ontdekte lasermechanisme is veel gevoeliger voor grensvlakmoleculaire krachten. Volgens Chen, "De laseremissies van deze boogachtige modus nemen dramatisch toe met de toename van de grensvlakhydrofobiciteit, evenals druppelcontacthoek."

Op zoek naar een verklaring voor dit modulerende fenomeen, Chen's team ontdekte ook dat de kwaliteitsfactor van nieuwe lasermodi aanzienlijk toenam met een toenemende contacthoek van de druppel. En het aantal oscillatiepaden van lasermodi in druppels nam dramatisch toe. "Samen, deze twee factoren bepalen de verbetering van laseremissies met de sterkte van grensvlakmoleculaire krachten, " zegt Chen.

Op basis van hun ontdekking, Het team van Chen onderzocht de mogelijkheid om druppellasers te gebruiken om mechanische veranderingen op bio-interfaces vast te leggen. Als verwacht, ontdekten ze dat een kleine verandering van grensvlak biomoleculaire krachten, veroorzaakt door een zeer lage concentratie van biomoleculen, zoals peptiden of eiwitten, kan worden geregistreerd door de laserstraling van druppellasers.

Volgens Chen, "Dit werk demonstreert een belangrijk modulerend mechanisme in druppelresonatoren en toont het potentieel voor het exploiteren van optische resonatoren om de veranderingen van intermoleculaire krachten te versterken." Inzichten in lasermechanismen openen nieuwe perspectieven voor het gebruik van microlasers om biomechanische interacties en interfacefysica te bestuderen. Omdat druppellasers een nieuw platform kunnen bieden voor het bestuderen van de intermoleculaire fysieke interacties aan de interface, ze kunnen bijzonder nuttig zijn voor het onderzoeken van hydrofobe interacties, die een vitale rol spelen in tal van fysieke dynamiek en biologische systemen.