اهمیت نانولیزرهای متامتریال

اهمیت نانولیزرهای متامتریال با توجه به اینکه هنوز یک فناوری در حال توسعه هستند، زیاد است و پیشرفت‌های بیشتری در زمینه کاربردها و استفاده صنعتی حاصل نشده است. اکنون می‌توان متامواد را با ساختارها یا الگوهای مصنوعی در مقیاس نانو ساخت تا موادی بسازند که در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار گیرد.

این نانولیزرهای فرامواد به راحتی می توانند نوری را در مقیاس نانو تولید کنند که منسجم است، بر خلاف لیزرهای معمولی، که در آن تراکم و کارایی یک خلأ بزرگ بود.

نانولیزرهای متامتریال آستانه کمی در رابطه با پمپ‌های نوری، نسبت سیگنال به نویز بهتر، میزان بازده داخلی و خارجی بالاتر در مقیاس کوانتومی و طول لیزر کوتاه‌تر متشکل از میکرون‌های بسیار کم و در کل اندازه فشرده خوبی دارند.

با توجه به منحصربه‌فرد بودن نانولیزر و متاماده، محدودیت آستانه لیزر کم، راندمان لیزر بالاتر و سرعت‌هایی که در مدولاسیون‌ها بسیار بالاتر هستند، نانولیزرهای فراماده پتانسیل بالایی در بسیاری از کاربردهای سنجش عملی دارند. کاربردهای دیگر شامل استفاده از نانوسیم ها برای مشخص کردن مواد برای شناسایی در کمترین پارامتر نوری مانند یک مولکول منفرد با مدولاسیون های سریع تر و وضوح بالاتر است. این ویژگی‌ها تاکید می‌کنند که چرا این نانولیزرهای فرامواد در خواص نوری مهم هستند.

کاربردها و مزایای نانولیزر متامتریال جدید

ترجمه با مهندس شکوفه ساتری

نانولیزر متامتریال خواص منحصر به فرد بسیاری دارد. اما ابتدا باید به معنای این مواد نگاهی بیندازیم. متامتریال ها ویژگی مورد نظری را ارائه می دهند که به طور طبیعی یافت نمی شود. آنها معمولا از مواد کامپوزیتی مانند پلاستیک و فلز ساخته می شوند. اینها در الگوهایی مونتاژ می شوند که در مقیاس های بسیار کوچک تکرار می شوند و می توانند بر طول موج تأثیر بگذارند.

منحصر به فرد بودن در طراحی ساختاری آنها منجر به تولید خواص هوشمند می شود که منجر به مدیریت امواج الکترومغناطیسی مختلف با جذب، خمش یا مسدود کردن امواج برای دستیابی به خواص مطلوب می شود.

نمودار شماتیک ساختار نانولیزر متامتریال که قسمت های مختلف لیزر را نشان می دهد.

نانولیزرها نور را در ابعاد نانو ساطع می کنند. آنها با استفاده از نانوسیم ها یا مواد در مقیاس نانو برانگیخته می شوند.

نانولیزرهای متامتریال

محققان با ترکیب متا مواد و نانولیزرها نانولیزرهای متامتریال را ساخته اند که کاربردهای زیادی در صنعت نوری دارند. اینها به گونه ای طراحی شده اند که از هر نوع متامتریال استفاده می شود. فرامواد مورد بحث در بالا دارای برخی موجبرها هستند که به صورت دوره ای نوارها و شکاف های هوا در مقیاس نانو هستند. این موجبرها از همه طرف با هوا حصار می شوند و فقط قسمت زیرین زیرلایه باقی می ماند.

متامتریال بهره می تواند در را برای داشتن منابع نور کارآمد یکپارچه با دستگاه های فوتونیک سیلیکونی در همان پلت فرم باز کند.

شکاف های هوای توزیع شده افقی با نوارهای بهره که به صورت دوره ای توزیع می شوند، عمدتاً برای دستیابی به ضریب شکست مفید متاماده بهبود می یابند که برای کاربرد مورد نظر، عمدتاً لیزر و طول موج پمپ، مناسب است.

فراماده بهره برای پمپاژ نوری کارآمد و انتشار لیزر، و در نتیجه نانولیزر موج سیار با طول کوتاه با اندازه فشرده اجازه می دهد.

موچین های نوری ساخته شده از نور لیزر ممکن است اجسام ریز بیولوژیکی را بگیرد و بچرخاند

موچین های نوری ساخته شده از نور لیزر ممکن است اجسام ریز بیولوژیکی را بگیرد و بچرخاند

ترجمه با مهندس شکوفه ساتری

می‌توانیم کیفیت و تازگی میوه‌ها و سبزیجات را با انگشتان خود آزمایش کنیم و حتی ربات‌های صنعتی سال‌هاست که در کاربردهای لمسی با موفقیت عمل می‌کنند.

اما چگونه می توان اشیایی را به پهنای یک موی انسان گرفت و چرخاند - پروفسور دکتر الکساندر رورباخ از گروه مهندسی میکروسیستم های دانشگاه فرایبورگ و تیمش اکنون مطالعه ای در مورد این سوال در مجله Nature Communications منتشر کرده اند. کار آنها نشان می دهد که چگونه چندین موچین نوری ساخته شده از نور لیزر بسیار متمرکز، روزی می توانند خوشه های سلولی را به شیوه ای کنترل شده گرفته و آنها را در هر جهت دلخواه بچرخانند. این امر به اشیاء ریز مانند تومورهای مینیاتوری اجازه می دهد تا به طور خاص زیر میکروسکوپ بررسی شوند.

انگشتان ساخته شده از نور لیزر

در آزمایشگاه، انگشتان چنگنده مربوط به موچین های نوری هستند که از نور لیزر بسیار متمرکز تولید می شوند. مزیت متمایز موچین های سبک این است که بر خلاف موچین های مکانیکی، می توانند نیرو یا گشتاور را حتی در هنگام چنگ زدن به اجسام شفاف اعمال کنند.

موچین‌های نوری هولوگرافیک رایانه‌ای که قادر به فوکوس کردن پیکسل به پیکسل نور لیزر در پیکربندی‌های دلخواه و چندگانه هستند، سال‌هاست که برای کنترل موقعیت چندین انگشت درگیر نور به طور همزمان در فضای سه‌بعدی استفاده می‌شوند.

این روش تقریباً دو دهه است که در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی وجود دارد، اما قادر به اعمال نیرو و گشتاور بر روی اجسام بزرگ‌تر، یعنی مواردی با قطر بزرگ‌تر از 1/10 میلی‌متر نیست.

موچین ها با مشکلاتی مواجه می شوند زیرا اجسام بسیار بزرگ و تنبل هستند که نمی توانند به صورت دلخواه و پایدار در محلول آبی بچرخند، زیرا موچین های نوری یا به اندازه کافی قوی نیستند یا موقعیت مناسبی برای گرفتن پیدا نمی کنند و بنابراین می لغزند. شایان ذکر است، دلیل اینکه آنها نتوانستند بهترین موقعیت گرفتن را پیدا کنند این است که اصلاً به دنبال آن نمی‌گردند، بلکه کورکورانه با تکیه بر توانایی محققانی که تلاش می‌کنند موچین‌های نوری را قرار دهند، آن را می‌گیرند.

مفهوم موچین نوری غیر کور

رورباخ توضیح می‌دهد: «موچین‌های غیرکور با اندازه‌گیری و تجزیه و تحلیل نور پراکنده شده بر روی جسم، آنچه را که در حال چنگ زدن هستند، می‌بینند. ما اشیاء مختلف را با چشمان خود می بینیم زیرا نور خورشید یا نور داخل خانه بر روی آنها پراکنده شده و در شبکیه چشم ما تکثیر می شود. موچین لیزری می تواند از طریق اشیاء شفاف چنگ بزند. با این حال، اشیاء تحقیقاتی بیولوژیکی که دانشمندان زیر میکروسکوپ مطالعه می‌کنند، مانند خوشه‌های سلولی مانند تومورهای مینیاتوری یا جنین‌های کوچک مگس، کاملاً شفاف نیستند، اما مانند شیشه‌های مات در پنجره حمام عمل می‌کنند، جایی که نور پس از انتقال منتشر می‌شود و بنابراین تجزیه و تحلیل آن دشوار است. .اتری

ترکیب میکروسکوپ نیروی اتمی و موچین نوری

ترکیب میکروسکوپ نیروی اتمی و موچین نوری ترجمه با مهندس شکوفه ساتری

AFM در چند دهه گذشته به عنوان ابزاری حیاتی برای اندازه‌گیری توپوگرافی و ویژگی‌های یک نمونه ظاهر شده است و توانایی خود را در طول سال‌ها به شدت گسترش داده است. موچین های نوری نیز سال هاست که وجود داشته اند و می توان از آنها برای دستکاری و اندازه گیری خواص مواد در سطح تک اتمی استفاده کرد. اکنون مشخص شده است که AFM را می توان با موچین های نوری ترکیب کرد تا اندازه گیری نیرو موثرتری در مطالعات بیولوژیکی انجام دهد. در این مقاله به بررسی این ترکیب می پردازیم.

AFM چیست؟

AFM که مخفف میکروسکوپ نیروی اتمی است، ابزاری است که از یک نوک تیز در انتهای یک کنسول برای ترسیم توپوگرافی یک سطح استفاده می‌کند. به طور اساسی، حالت های تصویربرداری مختلفی وجود دارد که برخی از آنها سطح را لمس می کنند و برخی روی نمونه شناور می شوند، و حرکت کنسول موقعیت نسبی اتم های یک سطح را امکان می دهد تا نقشه برداری شود. در حالی که AFM بیشتر برای نقشه برداری از توپوگرافی یک سطح شناخته شده است، بسیاری از حالت های مختلف در طول سال ها ظاهر شده اند که می توانند خواص الکتریکی، نوری و مکانیکی (در میان سایر ویژگی های فرعی) یک نمونه را اندازه گیری کنند. این یک تکنیک تصویربرداری قدرتمند است که می تواند با مواد مختلف مورد استفاده قرار گیرد، و تطبیق پذیری آن یکی از دلایل متعددی است که باعث شده است به ابزاری تبدیل شود که در طول سال ها بیشتر و بیشتر توسط دانشمندان مورد استفاده قرار گرفته است.

موچین های نوری چیست؟

موچین های نوری از نور برای دستکاری اجسام تا سطح تک اتمی استفاده می کنند. موچین های نوری با به دام انداختن اتم ها، ذرات یا موجودات میکروسکوپی کار می کنند و می توان از آنها برای استنباط خواص مکانیکی جسم گرفته شده استفاده کرد. موچین های نوری از نور لیزر برای به دام انداختن این اجسام استفاده می کنند و شکست و پراکندگی نور می تواند چیزهای زیادی در مورد نیرو و خواص مکانیکی جسم به دانشمندان بگوید. هنگامی که جسم به دام افتاد، از مرکز پرتو نور جابه جا می شود و این امکان کسر خواص نیروی جسم را فراهم می کند. در برخی موارد، موچین های نوری می توانند به طور مداوم اجسام میکروسکوپی را پس از جابجایی از مرکز، با کشیدن آنها به داخل به دام بیندازند و از این فرآیند می توان برای دستکاری و حرکت جسم استفاده کرد. در حالی که آنها در بسیاری از زمینه ها استفاده می شوند، در مطالعات بیولوژیکی کاربرد زیادی پیدا کرده اند.

هر دو موچین AFM و نوری را می توان با هم ترکیب کرد و این به عنوان OT/AFM شناخته می شود. این تکنیکی است که اندازه‌گیری نیروی سطحی و قابلیت‌های تصویربرداری میکروسکوپ نیروی اتمی را با توانایی اعمال و اندازه‌گیری کوچک‌ترین درجه نیرو در سه بعدی از طریق انبرک نوری ترکیب می‌کند. OT/AFM تکنیکی است که مانند موچین های نوری پتانسیل زیادی برای مطالعات بیولوژیکی دارد. بسیاری از حالت های AFM برای مطالعات بیولوژیکی مناسب نیستند، به غیر از حالت غیر تماسی، زیرا نوک به نمونه آسیب می رساند. از آنجایی که حالت تماس غیر فیزیکی نیرویی را بر روی نمونه اعمال نمی کند، به دست آوردن اندازه گیری نیرو را دشوارتر می کند، بنابراین OT/AFM به عنوان راهی برای رفع این نیاز ظاهر شده است.

در OT/AFM، موچین‌های نوری مولکول‌های بیولوژیکی را در یک یا دو انتها نگه می‌دارند در حالی که کنسول روی سطح زیست مولکول را اسکن می‌کند. هر دو اصل AFM و موچین نوری به طور همزمان استفاده می شوند و نور لیزر برای تله های نوری اغلب از طریق یک شی معکوس زیر نمونه مورد نظر تابیده می شود. این یک فرآیند هم افزایی تولید می کند که در آن ابزار AFM به عنوان یک سنسور نیرو و فضایی عمل می کند در حالی که موچین (های) نوری به عنوان دستکاری کننده عمل می کند.

این فرآیندی است که می تواند برای باز کردن زیپ فیبرها و DNA با به دام انداختن مولکول در یک انتها و اتصال مولکول دیگر به انتهای کنسول AFM که به مولکول فیبری می چسبد استفاده شود. این فرآیندی است که خواص مکانیکی الیاف و DNA را امکان پذیر می کند. زیپ مولکول را می توان با چرخاندن مولکول باز کرد یا الیاف زدایی کرد، و چون در یک انتها ثابت می ماند، سر دیگر آن باز می شود/باز می شود. تا آنجا که کاربردهای دیگر در مورد DNA وجود دارد، DNA با پروتئین‌های متصل می‌تواند در هر دو انتها بسته شود و با کانتیور اسکن شود تا ببیند پروتئین‌ها در کجای رشته DNA قرار دارند، و همچنین می‌توان دینامیک DNA-آنزیم را با به دام انداختن یک رشته از آن زیر نظر گرفت. مارپیچ DNA

OT/AFM همچنین می‌تواند روی سلول‌ها و برای تحریک پاسخ‌ها در سلول‌ها استفاده شود. OT/AFM می‌تواند برای اندازه‌گیری خواص مکانیکی سلول‌ها با اعمال نیرو و تصویربرداری از بازآرایی داخلی سلول، و همچنین برای اندازه‌گیری پاسخ سلولی، برهمکنش سلول-سلول، برهمکنش سلول-ماتریکس، پاسخ ایمنی، پاسخ عفونت استفاده شود. و جذب محیط های خارجی (مانند نانوذرات یا باکتری ها) به داخل سلول ها. موچین های نوری همچنین می توانند برای تحریک پاسخ های خاص با به دام انداختن سلول های خاص و مشاهده نحوه چسبیدن این سلول ها به مولکول های دیگر با اندازه گیری نیروی یک کنسول اصلاح شده مولکولی در حین کشیده شدن به سمت سلول به دام افتاده استفاده شوند.

موچین های نوری - مقدمه ای بر موچین های نوری

نور توسط موچین های نوری برای کنترل اجسام میکروسکوپی به اندازه یک اتم استفاده می شود. یک پرتو لیزر متمرکز فشار تشعشعی ایجاد می کند که می تواند ذرات کوچک را به دام بیندازد.

موچین های نوری چگونه کار می کنند؟

یک هدف میکروسکوپی با کیفیت بالا برای متمرکز کردن پرتو لیزر به یک "نقطه" در نمونه استفاده می شود. سپس این نقطه یک تله نوری ایجاد می کند که می تواند یک ذره کوچک را در مرکز خود نگه دارد. نیروهایی که توسط این ذره کوچک متشکل از نیروهای گرادیان و پراکندگی نور ایجاد می شود. نیروهای گرادیان نتیجه برهمکنش بین ذره و نور هستند.

میکروسکوپ های نوری معمولی اغلب اصلاح می شوند و برای ساخت موچین های نوری استفاده می شوند. موچین های نوری از ابزارهای ساده برای کنترل اجسام در مقیاس میکرو به ابزارهای پیشرفته ای که توسط رایانه هایی کنترل می شوند که قادر به اندازه گیری دقیق و دقیق جابجایی ها و نیروها هستند، پیشرفت کرده اند.

اصول پشت عملیات موچین های نوری

اصل اساسی پشت موچین های نوری، انتقال تکانه مربوط به خمش نور است. تکانه توسط نور حمل می شود و معادل جهت انتشار و انرژی آن است. هر گونه تغییر در تکانه نور نتیجه تغییرات جهت نور ناشی از بازتاب یا شکست است.

هنگامی که نور توسط یک جسم خم می شود، تغییر در تکانه ایجاد می شود. حفظ تکانه شامل این می شود که جسم تغییر مساوی و مخالف در تکانه را تجربه کند. این منجر به تجربه نیرویی توسط جسم می شود.

کاربردهای موچین نوری

کره های دی الکتریک، باکتری ها، سلول های زنده و ذرات ریز فلزی با استفاده از موچین های نوری به دام افتاده اند. تله گذاری نوری نیز در زمینه های زیست شناسی برای مطالعه موتورهای مولکولی و خواص فیزیکی DNA مورد استفاده قرار می گیرد.

موچین های نوری ساخته شده از نور لیزر ممکن است جذب و چرخش میکرو اشیاء بیولوژیکی

ما می توانیم کیفیت و طراوت میوه ها و سبزیجات را با انگشتانمان تست کنیم و حتی روبات های صنعتی برای سال ها با موفقیت در برنامه های لمسی انجام داده ایم.

اما چگونه می توان اشیا را با عرض یک موی سر انسان بچرخاند و چرخانده شود. دکتر الکساندر رهبر از گروه مهندسی مایکروویو از دانشگاه فرایبورگ و تیمش در حال حاضر در مورد این سوال در مجله Nature Communications منتشر شده است. کار آنها نشان می دهد که چند موچین نوری ساخته شده از نور لیزر بسیار متمرکز یک روز قادر به گرفتن خوشه های سلولی به صورت کنترل شده و چرخش آنها را در هر جهت مورد نظر می شود. این اجازه می دهد که اشیاء کوچک مانند تومورهای مینیاتوری به طور خاص تحت میکروسکوپ مورد مطالعه قرار گیرند.

انگشتان ساخته شده از نور لیزر

در آزمایشگاه، انگشتان دستگیره به به اصطلاح موچین های نوری متصل می شوند که از نور لیزر بسیار متمرکز تولید می شوند. مزیت متمایز از تیراندازان نور این است که، بر خلاف موچین های مکانیکی، آنها می توانند نیروها یا گله ها را حتی هنگام برداشتن از طریق اشیاء شفاف اعمال کنند.

موچین های نوری کامپیوتر هولوگرافی قادر به تمرکز پیکسل نور لیزر با پیکسل در پیکسل در تنظیمات دلخواه و ضرب شده برای سال ها برای کنترل موقعیت های چند انگشت انگشت نور به طور همزمان در فضای 3D استفاده شده است.

این روش در آزمایشگاه های تحقیقاتی تقریبا دو دهه وجود داشته است، اما قادر به اعمال نیروها و گشتاور بر روی اشیاء بزرگتر نیست، یعنی آنهایی که دارای قطر بزرگتر از حدود 1/10 میلیمتر هستند.

موچین ها با مشکلات مواجه می شوند، زیرا اشیاء بیش از حد بزرگ هستند و به طرز دلخواه به صورت دلخواه و پایدار در یک محلول آبی چرخانده می شوند، زیرا موچین های نوری به اندازه کافی قوی نیستند و یا موفق به پیدا کردن یک موقعیت خوب می شوند و بنابراین لغزش می کنند. به طرز قابل ملاحظه ای، دلیل اینکه آنها نتوانستند بهترین موقعیت را پیدا کنند، به این دلیل است که آنها به هیچ وجه به دنبال آن نیستند، اما به طور کورکورانه دستگیر می شوند، با تکیه بر توانایی محققان تلاش برای قرار دادن موچین های نوری.

مفهوم موچین نوری غیر کور

Rohrbach توضیح می دهد. " "ما اشیاء مختلفی را با چشم هایمان می بینیم، زیرا نور خورشید یا نور داخلی بر روی آنها پراکنده شده و بر روی شبکیه ما بازتولید شده است." موچین های لیزری می توانند از طریق اشیاء شفاف عبور کنند. با این حال، اشیاء تحقیقاتی بیولوژیک دانشمندان تحت میکروسکوپ مطالعه می کنند، مانند خوشه های سلولی مانند تومورهای کوچک یا جنین های کوچک پرواز، کاملا شفاف نیستند، بلکه مانند شیشه های مات شده در یک پنجره حمام رفتار می کنند، جایی که نور پس از انتقال پخش می شود و بنابراین تجزیه و تحلیل دشوار است .

مفهوم جدید برای دیدن جایی که موچین ها رسیدن به آن است، تجزیه و تحلیل نور پراکنده پراکنده پراکنده در یک دوربین سریع پشت شی، که به عنوان یک سیگنال بازخورد عمل می کند. نامتقارن تر از نقاط نور از نورپردازی های نور فردی در دوربین، بیشتر نور در فوکوس پراکنده است، منجر به تغییر بیشتر در شاخص انکسار در نقطه مربوطه در جسم می شود.

اینها نقاطی هستند که در آن موچین های نوری می توانند به طور موثر در جسم قرار گیرند. از لحاظ فیزیک، یک تغییر محلی در قطبش ماده منجر به افزایش نیروی دیپول نوری می شود.

به گفته Rohrbach، چیز شگفت انگیزی در مورد اصل موضع گیری بهترین موقعیت جابجایی این است که پراکندگی نور - یعنی تغییر در حرکت - به طور مستقیم به طور مستقیم در تمرکز لیزر بسیار قوی تر از آن است که در مقابل یا پشت تمرکز بسیار قوی تر است. هر یک از تقریبا پنج تا ده موچین نوری باید بهترین موقعیت را بر اساس نور پراکنده به منظور چرخش جسم در جهت های مختلف احساس کند.

اگر یکی از موچین بیش از حد نیرویی را اعمال کند، با این حال، دیگر موزه ها می توانند نگه داشتن خود را از دست بدهند. Rohrbach می گوید: "این یک مشکل بهینه سازی بسیار پیچیده است که ما برای چند سال به وجود آمد." چشم انداز او این است که در مورد موفقیت، اصل برگزاری نمونه بدون تماس با میکروسکوپ های آینده یکپارچه خواهد شد.

پروژه تحقیقاتی در زمینه خوشه های فرایبورگ از Bioss و CIBSS برتر تامین شد.

توموگرافی انسجام نوری

لیزر حالت جامد

فوتونیک سیلیکون

گروه آموزشی مهندس شکوفه ساتری