Оптическая микроскопия сверхвысокого разрешения позволила разглядеть квантовые точки
Ученые разработали метод флуоресцентной оптической микроскопии, который позволяет получать изображения квантовых точек с разрешением в 30 нанометров. Метод основан на использовании когерентного отклика люминесцентных частиц на лазерное возбуждение, пишут ученые в Nature Photonics.
Использование оптических методов для микроскопии ограничено дифракционным пределом, который не позволяет получать изображение объектов размером сильно меньше длины волны света. Однако в некоторых случаях этот предел можно снизить, например используя только ближнепольную область или переключая флуоресцентные молекулы между возбужденным ярким состоянием, в котором молекула излучает свет, и темным основным неизлучающим состоянием.
Один из таких методов — STED-микроскопия, с помощью которой можно получать изображения сверхвысокого разрешения с помощью избирательного тушения люминесценции анализируемых объектов. Увеличить разрешение изображения при таком подходе удается за счет использования дополнительного лазера, который подавляет люминесценцию по краям фокусного пятна. При этом такой метод использует некогерентный отклик на лазерное воздействие, то есть длина волны лазера не соответствует длины волны излучения и для реализации механизма у излучающей частицы должно быть, как минимум, четыре энергетических уровня.
Ученые из Швейцарии и Германии под руководством Тимо Калдевея (Timo Kaldewey) из Базельского университета предложили для увеличения разрешения использовать метод адиабатического переключения люминесцирующих молекул между двумя энергетическими состояниями, при котором длина волны возбуждения соответствует длине волны люминесценции. Для подобных двухуровневых систем характерны осцилляции Раби, при которых излучающая молекула при облучении постоянно колеблется между «включенным» и «выключенным» состояниями. Если же такие частицы облучать импульсами высокой интенсивности пучком с гауссовым распределением в пространстве, то в облучаемой области формируется система колец различной интенсивности.
Используя этот эффект, ученые предложили использовать два последовательных импульса — включающий и выключающий. Это приводит к увеличению разрешения с 250 нанометров до нескольких десятков нанометров.
Предложенную схему авторы работы проверили на ансамбле квантовых точек из смешанного арсенида галлия и индия, которые практически не отличаются от квантовой двухуровневой системы и излучают свет с длиной волны 950 нанометров. Квантовые точки ученые облучали короткими импульсами длиной 130 фемтосекунд, в результате чего удалось получить изображения с разрешением примерно в 30 нанометров, что примерно в 31 раз меньше используемой длины волны.
Ученые отмечают, что использование когерентного отклика на возбуждающий сигнал позволяет не излучать избыточную энергию в виде тепла. При этом по интенсивности сигнала предложенный метод практически не уступает традиционной конфокальной микроскопии. По словам авторов работы, сейчас таким способом можно получать изображения отдельных квантовых точек при температуре в 4 кельвина, но в будущем ученые планируют поднять ее примерно на 50 градусов.
Схемы для оптической микроскопии сверхвысокого разрешения могут основаны на использовании различных оптических эффектов и взаимодействии исследуемого вещества со светом. Так, в качестве одного из способов обойти дифракционный предел ученые предлагают использовать ближнепольные методы с использованием специальных зондов. Некоторые подобные методы можно использовать даже для получения видео с движением белковых молекул.
Александр Дубов
Это показали эксперименты с газированными напитками
Американские и французские физики разобрались в причинах, по которым всплывающие в газированном напитке пузыри выстраиваются или не выстраиваются в ровные цепочки. Для этого они проводили эксперименты с дегазированными напитками (газировкой, пивом, игристым вином и шампанским) и модельными жидкостями. В результате ученые выяснили, что на этот эффект влияет размер пузырей и характеристики и количество поверхностно-активных веществ в напитке. Исследование опубликовано в Physical Review Fluids. Всплытие пузырей в жидкости — это неотъемлемая часть множества процессов в природе и технологиях, начиная от просачивания газов из-под океанского дна и заканчивая очисткой сточных вод с помощью насыщения ее кислородом в аэротенках. Важную роль пузыри играют и в производстве газированных напитков: мы уже рассказывали об их роли в восприятии вкуса пива и шампанского. В случае с шампанским всплытие пузырьков играет еще и важную эстетическую роль: они поднимаются в виде почти вертикальных цепочек с постоянным интервалом. Вместе с тем, такое поведение встречается не во всех напитках. Теоретики лишь недавно смогли объяснить причину противоположного поведения: всплытия по зигзагообразным или спиральным траекториям. Причины же возникновения ровных цепочек физикам пока до конца не ясны, равно как и условия, при которых разные режимы всплытия сменяют друг друга. Ответить на эти вопросы взялась команда американских и французских физиков под руководством Роберто Зенита (Roberto Zenit) из Университета Брауна. Им удалось экспериментально и теоретически выяснить, что на формирование стабильных пузырьковых цепочек оказывает влияние два фактора: их размер и наличие в жидкости поверхностно-активных веществ (ПАВ). В случае с напитками последний фактор оказывается решающим — он определяет разницу во всплытии пузырьков между газированной водой и шампанским. Физики проводили опыты в плексигласовом прямоугольном бассейне размером 50 × 50 × 400 миллиметров. На дно бассейна ученые устанавливали иглы различного диаметра закругления, через которые подавали воздух и получали пузырьки разного размера. Контроль подачи воздуха, в свою очередь, регулировал частоту их образования и, как следствие, межпузырьковое расстояние. Исследователи наполняли установку жидкостями, предварительно дегазированными в условиях вакуума: газированной водой, светлым пивом, игристым вином и шампанским. Кроме того, в качестве модельной жидкости они использовали смеси дистиллированной воды и глицерина в различных пропорциях. Эксперименты сопровождались численным моделированием с помощью уравнений Навье — Стокса. Главный результат, полученный физиками, заключается в том, что стабильность цепочки устанавливается при размерах пузырей или количестве ПАВ, выраженного через число Ленгмюра, выше некоторых порогов, а до того они расходятся в пределах конуса. Симуляции показали, что пузырьки нужных размеров могут двигаться прямолинейно только в том случае, если на их поверхности создается достаточная завихренность — тогда подъемная сила, действующая на нижний пузырь под влиянием верхнего, меняет знак и вталкивает его следом. На это, в свою очередь, влияет химический состав напитков: если в пиве ПАВ — это тяжелые белки, то в шампанском эту роль играют более легкие жирные кислоты. Полученные результаты, помимо применения в производстве алкоголя, можно использовать для оценки уровня загрязнения ПАВ практически в любой жидкости. Группу Зенита давно интересуют пузырьки в алкоголе. Ранее мы рассказывали, как физики научно обосновали традиционный способ определения концентрации этанола при перегонке мескаля по времени жизни пузырьков.