Kleine belletjes kunnen grote problemen oplossen. Microbellen - ongeveer 1-50 micrometer in diameter - hebben wijdverbreide toepassingen. Ze worden gebruikt voor het afleveren van medicijnen, membraan reiniging, biofilm controle, en waterbehandeling. Ze zijn toegepast als actuatoren in lab-on-a-chip-apparaten voor microfluïdische menging, inkjet printen, en logische schakelingen, en in fotonica lithografie en optische resonatoren. En ze hebben opmerkelijk bijgedragen aan biomedische beeldvorming en toepassingen zoals het opsluiten en manipuleren van DNA.

Gezien het brede scala aan toepassingen voor microbellen, er zijn veel methoden ontwikkeld om ze te genereren, inclusief luchtstroomcompressie om lucht in vloeistof op te lossen, ultrageluid om bellen in water te induceren, en laserpulsen om substraten ondergedompeld in vloeistoffen bloot te leggen. Echter, deze bubbels hebben de neiging willekeurig in vloeistof te worden gedispergeerd en zijn nogal onstabiel.

Volgens Baohua Jia, professor en stichtend directeur van het Center for Translational Atomaterials aan de Swinburne University of Technology, "Voor toepassingen die een nauwkeurige bellenpositie en -grootte vereisen, evenals een hoge stabiliteit, bijvoorbeeld in fotonische toepassingen zoals beeldvorming en trapping-creatie van bellen op nauwkeurige posities met regelbaar volume, kromming, en stabiliteit is essentieel." Jia legt uit dat, voor integratie in biologische of fotonische platforms, het is zeer wenselijk om goed gecontroleerde en stabiele microbellen te laten vervaardigen met gebruikmaking van een techniek die compatibel is met de huidige verwerkingstechnologieën.

Ballonnen in grafeen

Jia en collega-onderzoekers van de Swinburne University of Technology werkten onlangs samen met onderzoekers van de National University of Singapore, Rutgers Universiteit, Universiteit van Melbourne, en Monash-universiteit, een methode ontwikkelen om met laserpulsen nauwkeurig gecontroleerde grafeenmicrobellen op een glasoppervlak te genereren. Hun rapport is gepubliceerd in het peer-reviewed, open access tijdschrift, Geavanceerde fotonica .

De groep gebruikte grafeenoxidematerialen, die bestaan ​​uit grafeenfilm versierd met functionele zuurstofgroepen. Gassen kunnen niet door grafeenoxidematerialen dringen, dus gebruikten de onderzoekers laser om de grafeenoxidefilm lokaal te bestralen om gassen te genereren die in de film moesten worden ingekapseld om microbellenachtige ballonnen te vormen. Han Lin, Senior Research Fellow aan de Swinburne University en eerste auteur van het papier, verklaart, "Op deze manier, de posities van de microbellen kunnen goed worden gecontroleerd door de laser, en de microbellen kunnen naar believen worden gecreëerd en geëlimineerd. Ondertussen, de hoeveelheid gassen kan worden geregeld door het stralingsgebied en het stralingsvermogen. Daarom, hoge precisie kan worden bereikt."

Een dergelijke hoogwaardige bubbel kan worden gebruikt voor geavanceerde opto-elektronische en micromechanische apparaten met hoge precisie-eisen.

De onderzoekers ontdekten dat de hoge uniformiteit van de grafeenoxidefilms microbellen creëert met een perfecte sferische kromming die kunnen worden gebruikt als concave reflecterende lenzen. Als vitrine, ze gebruikten de concave reflecterende lenzen om het licht te focussen. Het team meldt dat de lens een brandpunt van hoge kwaliteit is in een zeer goede vorm en kan worden gebruikt als lichtbron voor microscopische beeldvorming.

Lin legt uit dat de reflecterende lenzen ook in staat zijn om licht op verschillende golflengten op hetzelfde brandpunt te focussen zonder chromatische aberratie. Het team demonstreert de focussering van een ultrabreedband wit licht, die zichtbaar tot nabij-infrarood bereik, met dezelfde hoge prestaties, wat vooral nuttig is bij compacte microscopie en spectroscopie.

Jia merkt op dat het onderzoek "een route biedt voor het naar believen genereren van zeer gecontroleerde microbellen en de integratie van grafeenmicrobellen als dynamische en zeer nauwkeurige nanofotonische componenten voor geminiaturiseerde lab-on-a-chip-apparaten, samen met brede potentiële toepassingen in hoge resolutie spectroscopie en medische beeldvorming."