science >> Wetenschap > >> Fysica

Universele optothermische micro/nanoschaal rotoren

Werkmechanisme van door licht aangedreven out-of-plane rotatie van micro/nanoschaal rotoren. (A) een vereenvoudigd schema ter illustratie van de experimentele opzet en werking voor OTER van micro/nanodeeltjes. (B) Werkingsmechanisme van OTER:(i) In het niet-uniforme temperatuurveld diffunderen Na+ en Cl−-ionen en PEG-moleculen naar het koude gebied. Gele pijlen geven discrete uitputtingskrachten (FDi) aan die op de rotor inwerken, wat leidt tot een totale uitputtingskracht (FD) in (iv). (ii) Een TE-veld wordt gecreëerd door de scheiding van Na+ en Cl−-ionen vanwege hun verschillende thermodiffusiecoëfficiënten. Grijze pijlen geven de richting van het TE-veld aan. (iii) Het temperatuurveld beïnvloedt ook de dissociatie van carboxylfunctiegroepen, dus de oppervlakteladingen op het substraat. (iv) Optothermische krachten en koppel op de rotor:In de stabiele toestand genereert de gradiëntverdeling van PEG-moleculen een aantrekkelijke uitputtingskracht (FD) op het deeltje. Een afstotende kracht (FTE) wordt gegenereerd uit het TE-veld. Een thermo-elektrokinetische kracht (FEK) is afkomstig van het met 11-mercaptoundecaanzuur beklede plasmonische substraat met niet-uniforme thermo-responsieve oppervlaktelading (van -65 tot -58 mV). De oppervlaktelading van de meeste deeltjes varieert ook met de temperatuur vanwege hun geïoniseerde zuurgroepen op het oppervlak. De lokale oppervlaktelading van een carboxyl-gefunctionaliseerd polystyreen (PS) deeltje varieert bijvoorbeeld van -55 tot -49 mV. De "−"-symbolen geven de temperatuurafhankelijke verdelingen van negatieve ladingen op het oppervlak van het deeltje en substraat aan. De met licht bestraalde regimes met de hogere temperatuur kenmerken de lagere ladingsdichtheid. Een netto koppel, MEK, kan op het deeltje worden gegenereerd op de bepaalde positie waar een evenwicht wordt bereikt tussen FD, FTE en FEK. Het optische vermogen is 78,4 W. De rode stip markeert het zwaartepunt van het deeltje. Krediet:Wetenschappelijke vooruitgang (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498

De fundamentele rotatie van micro- en nano-objecten is cruciaal voor de functionaliteit van micro- en nanorobotica, evenals voor driedimensionale beeldvorming en lab-on-a-chip-systemen. Deze optische rotatiemethoden kunnen brandstofvrij en op afstand functioneren en zijn daarom beter geschikt voor experimenten, terwijl de huidige methoden laserstralen vereisen met ontworpen intensiteitsprofielen of objecten met geavanceerde vormen. Deze vereisten vormen een uitdaging voor eenvoudigere optische opstellingen met door licht aangedreven rotatie van een verscheidenheid aan objecten, waaronder biologische cellen.

In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Science Advances , ontwikkelden Hongru Ding en een onderzoeksteam in engineering en materiaalkunde aan de Universiteit van Texas in Austin, VS, een universele benadering voor de rotatie buiten het vlak van verschillende objecten op basis van een willekeurige laserstraal met laag vermogen. De wetenschappers plaatsten de laserbron weg van de objecten om optische schade door directe verlichting te verminderen en combineerden het rotatiemechanisme via optothermische koppeling met rigoureuze experimenten, gekoppeld aan multischaalsimulaties. De algemene toepasbaarheid en biocompatibiliteit van het universele, door licht aangedreven rotatieplatform is essentieel voor een reeks technische en wetenschappelijke toepassingen.

Opto-thermo-elektrische rotatie

Door de rotatie van objecten op micro- en nanoschaal te reguleren, hebben onderzoekers bewezen effectieve functionaliteiten te bieden voor nauwkeurige nanochirurgie, vacuümwrijving en microfluïdische stroomregeling. Door licht aangedreven micro- en nanorotors zijn een veelbelovende brandstofvrije optie, hoewel dergelijke apparaten een uitdaging zijn gebleven om op te bouwen omdat ze eenvoudigere en energiezuinigere optica nodig hebben om door licht aangedreven rotatie te bereiken. Ding et al hebben in dit nieuwe werk opto-thermo-elektrische rotatie (OTER) voorgesteld om elektrokinetische kracht, uitputtingskracht en elektrische kracht te genereren op basis van eenvoudige en energiezuinige optica.

Het onderzoeksteam bereikte de rotatie van sferisch symmetrische en homogene micro- en nanodeeltjes via een enkele Gauss-laserstraal die weg van de rotors was gepositioneerd, om de schade veroorzaakt door directe lichtverlichting te verminderen. Door de experimenten te combineren met multischaalsimulaties onthulden ze optothermische rotatie via elektrokinetische interacties tussen micro- en nanodeeltjes, en het substraat met thermo-responsieve oppervlaktelading. Als proof of concept liet het team zien hoe de OTER-strategie objecten van verschillende afmetingen, materialen en vormen kon roteren om het invallende licht en de oppervlaktechemie te reguleren.

In situ optische karakterisering van door licht aangedreven out-of-plane rotatie van een bolvormig microdeeltje. (A) (i) Schematische illustratie van de out-of-plane rotatie van een bolvormig PS-deeltje (d.w.z. rotor) rond een as evenwijdig aan het substraat. De laserstraal, die zich loodrecht op het substraat voortplant, verwarmt het gebied van het substraat nabij het deeltje. Het deeltje wordt gesuspendeerd in een 5% PEG/5% PBS-oplossing die het substraat bedekt. De twee rode kralen zijn fluorescerende nanodeeltjes voor de visualisatie van de oriëntatieverandering van de rotor onder een epifluorescentiemicroscoop. Het brandvlak van de optische microscoop is ongeveer 1 m boven het substraat. (ii tot vi) Opeenvolgende fluorescentiebeelden van een roterend PS-deeltje van 2,8 m. Insets zijn schematische illustraties van de oriëntaties van de rotor met twee fluorescerende nanodeeltjes als markers. Experimenteel werden twee 40-nm (in diameter) fluorescerende PS-nanodeeltjes aan de rotor bevestigd via streptavidine-biotinebinding. De rode punt aan de rechterkant van de rotor markeert de positie van de aandrijvende laserstraal. Schaalbalk, 2 m. (B) Tijdsafhankelijke fluorescentie-intensiteit gemeten vanaf de rotor en zijn omgeving zoals aangegeven in (iii) van (A). De rotatie buiten het vlak van de rotor leidt tot de periodieke fluctuatie van de fluorescentie-intensiteit. De intensiteitspieken verschijnen wanneer de rotatie leidt tot beide fluorescerende nanodeeltjes in het brandpuntsvlak van de optische microscoop. a.u., willekeurige eenheden. Krediet:Wetenschappelijke vooruitgang (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498

Werkingsmechanisme van universele door licht aangedreven rotoren

De onderzoekers illustreerden de experimentele opzet en het werkingsmechanisme van OTER, waarbij een laserstraal optothermische krachten op de deeltjes opwekte. Ding et al. hebben de netto kracht en het koppel via het laservermogen en de laserdeeltjesafstand op maat gemaakt voor rotatie buiten het vlak van de micro- en nano-objecten. Vervolgens richtten ze de laserstraal op een lichtabsorberend substraat zoals een poreuze goudfilm om in microseconden een op maat gemaakt temperatuurveld tot stand te brengen.

Om optothermisch de krachten en koppel te genereren die nodig zijn voor stabiele rotorrotatie, voegden Ding et al. polyethyleenglycol (PEG) moleculen en fosfaatgebufferde zoutoplossing toe aan water en functionaliseerde het substraat met carbonzuur-getermineerde alkaanthiolmonolagen. Na laserbelichting bereikte het team een temperatuurstijging om een thermo-elektrisch veld te creëren in de aanwezigheid van ionen om thermo-elektroforese van de geladen rotor aan te drijven. Ze onderzochten de oppervlakteladingsgradiënt op het substraat om vervolgens een optotherm afstembare elektrokinetische kracht te leveren die bekend staat als de thermo-elektrische kracht.

Kwantitatieve analyse en modellering van OTER van enkele sferische rotoren. (A) Gesimuleerde magnitudes van uitputtingskracht en TE-kracht langs de x-as op een 2,8-μm PS-deeltje als functie van de PL-afstand in een 5% PEG/5% PBS-oplossing. Zoals aangegeven door de stippellijn, wordt een evenwicht tussen uitputtingskracht en TE-kracht (d.w.z. nul nettokracht) bereikt op een kritische PL-afstand van 2,1 m. Inzet:Schematische illustratie van krachtanalyse voor de door licht aangedreven rotor in het xz-vlak. De rode en witte cirkels vertegenwoordigen respectievelijk de laserspot en de rotor. (B) gesimuleerd koppel (MEK) dat op de rotor inwerkt als een functie van de PL-afstand. Het koppel op de kritische PL-afstand (2,1 m) is ongeveer 1,6 pN·nm. Krediet:Wetenschappelijke vooruitgang (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498

Kenmerken en modelleren van opto-thermo-elektrische rotatie

Ding et al. bestudeerden het rotatiegedrag van door licht aangedreven rotoren met behulp van optische microscopie. Ze verwierven een beter onderzoek naar rotatiegedrag door een polystyreenmicrodeeltje te labelen met twee fluorescerende nanoparels met streptavidine-biotinebinding voor de rotatie buiten het vlak van het deeltje aangedreven door een laser. De waargenomen rotatie buiten de as beschermde de delicate rotors, inclusief levende cellen, tegen schade veroorzaakt door optische verlichting met hoog vermogen. Het team nam verder eindige-elementenanalyse, moleculaire dynamica en eindige-verschiltijddomeinsimulaties op om de werkkrachten van opto-thermo-elektrische rotoren te analyseren. De wetenschappers berekenden de optothermische krachten en koppels die op de rotor inwerken als een functie van de deeltjes-laserafstand en voerden een reeks experimenten en simulaties uit om de impact van elektrokinetische kracht, uitputtingskracht en thermo-elektrische kracht te begrijpen door de oppervlaktelading van de substraat en componenten van de oplossing.

Algemene toepasbaarheid van OTER op een verscheidenheid aan rotoren met verschillende vormen, maten en materialen. (A) opeenvolgende fluorescentiebeelden van een roterend 1-μm PS-deeltje gelabeld door fluorescerende nanodeeltjes voor de rotatievisualisatie. (B) opeenvolgende optische beelden van een roterend 500 nm PS/Au Janus-deeltje. (C) opeenvolgende donkere veld optische beelden van een roterend 300 nm PS/Au Janus deeltje. (D) Realtime RGB-intensiteit van de optische donkere veldbeelden van het Janus-deeltje. De rechthoek met witte streepjes in (C) markeert het geselecteerde gebied van waaruit de RGB-intensiteit wordt geregistreerd. (E) opeenvolgende optische beelden van een roterende gistcel. (F) opeenvolgende optische beelden van een roterende B. subtilis. (G) Opeenvolgende optische beelden van een roterend dimeer bestaande uit twee 2-μm silicadeeltjes. “ON” en “OFF” geven aan dat de laserstraal respectievelijk in- en uitgeschakeld is. (H) opeenvolgende optische beelden van een roterende trimeer bestaande uit drie 1-μm PS-deeltjes. De streepjeslijnen en zwarte pijlen vertegenwoordigen respectievelijk de rotatie-assen en -richtingen. Schaalbalken, 1 m (A, B, E, F en H), 500 nm (C) en 2 m (G). Oplossingen, 15% PEG/5% PBS (A tot C, G en H) en 5% PEG/5% PBS (E en F). Krediet:Wetenschappelijke vooruitgang (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498

Toepassingen van OTER

Ding et al. toonden de impact van OTER op biologische cellen en synthetische deeltjes van verschillende materialen, maten en vormen. Ze toonden de rotatie van rotoren op nanoschaal, zoals polystyreen-gouden Janus-deeltjes met behulp van optische microscopie met donker veld. De OTER-methode is ook toepasbaar op levende cellen, waaronder levende stammen van schimmels, bacteriën en zelfs menselijke cellen in celkweekmedia die ionen bevatten. Bovendien is de methode geschikt voor rotoren met complexe architecturen, waaronder rotatie buiten het vlak van deeltjesdimeren, trimeren en hexameren. Met behulp van de methode stellen Ding et al. een nauwkeurige regeling van de rotor en laserstraal voor om 3D-profilering van biologische cellen en synthetische deeltjes met een hoge resolutie te bereiken.

Vooruitzichten

Op deze manier gebruikten Hongru Ding en collega's thermo-diffusie van ionen en moleculen in oplossingen om een thermoresponsieve lading te ontwikkelen op vaste-vloeistof-interfaces. De opto-thermo-elektrische strategie maakte de rotatie van objecten op micro- en nanoschaal in een vloeibare omgeving mogelijk met eenvoudige en energiezuinige optica. De methode is superieur aan bestaande conventionele technieken met universele toepasbaarheid voor beelddetectie en biomedische toepassingen. Het team verwacht dat de optothermische benadering een belangrijke rol zal spelen in in vitro biologische studies om cellen en synthetische deeltjes in natuurlijke biovloeistoffen met ionen en biomoleculen te roteren. + Verder verkennen

Opto-thermo-elektrische microzwemmers

De energie in de kamer houden

Het Higgs-deeltje, tien jaar na zijn ontdekking

Hoofdlijnen

Wetenschap

Elektronica
Biologie
Zonsverduistering
Wiskunde
French | Italian | Spanish | Portuguese | Swedish | German | Dutch | Danish | Norway |