Расслаивание растворителя закрутило микрочастицы вокруг лазерного пучка

Физики предложили использовать расслаивание смеси двух жидкостей при нагревании для создания микромоторов из кварцевых частиц. С помощью локального нагрева и образования двухфазной среды можно возбудить вращение микрочастиц вокруг лазерного пучка оптического пинцета со скоростью более тысячи оборотов в минуту, пишут ученые в Physical Review Letters.

Основная проблема при создании микромоторов, которые используются в микросистемах для преобразования тепловой, химической, магнитной или световой энергии в механическую, — возрастающая роль тепловых флуктуаций, энергия которых становится соизмерима с механической энергией. Этот эффект приходится учитывать при разработке микромоторчиков на основе преобразования поляризованного света или магнитного поля. Один из возможных способов решения этой проблемы — использование для возбуждения движения не только свойств самой движущейся частиц, но и жидкости, в которую она помещена. Примером такого подхода может служить локальные кипение растворителя из-за нагрева поглощающей свет частицы. А объединив это явление с действием оптического пинцета, можно создать систему, в которой частица будет циклически совершать механическую работу, приближаясь и отдаляясь от лазерного пучка.

Физики из Швеции, Турции и Германии под руководством Джованни Вольпе (Giovanni Volpe) предложили похожий подход, в котором управляемое движение поглощающих свет микрочастиц возбуждается оптически за счет расслаивания критической смеси растворителей на две фазы. Для подтверждения возможности реализации такого механизма ученые провели эксперимент, в котором частицу оксида кремния диаметром 2,5 микрометра поместили в однородную смесь воды и лутидина — гетероциклического соединения со слабыми нуклеофильными свойствами. При комнатных условиях такая смесь представляет собой однородный раствор, но при повышении температуры до 34 градусов Цельсия раствор начинает расслаиваться на две жидкости.

Положение частицы оксида кремния в растворе фиксировали с помощью оптического пинцета на основе лазера с длиной волны 976 нанометров. За счет того, что частица (содержащая, кроме оксида кремния, еще и включения оксида железа) поглощала свет с выделением тепла, то вблизи нее происходил разогрев растворителя относительно начальной температуры в 26 градусов Цельсия. Из-за этого локально температура превышала критическое значение расслаивания и раствор переходил в двухфазное состояние.

Расслаивание жидкости приводит в такой системе к возникновению градиента концентрации лутидина в воде, в результате чего динамика движения частицы определяется двумя силами: диффузиофоретической силой, которая из-за градиента концентраций отталкивает частицу от оси лазерного пучка, и силой притяжения со стороны самого оптического пинцета. В результате этих двух сил возбуждается вращение частицы в фокальной плоскости лазерного пучка вокруг его оси. При этом варьируя мощность лазера можно менять скорость вращения частицы. В данном эксперименте авторы работы меняли скорость вращения от нуля до более чем 1100 оборотов в минуту, при этом радиус траектории частицы, которые определяется шириной лазерной пучка, составил около одного микрометра.

Физики отмечают, что управлять скоростью вращения частиц в такой системе можно не только с помощью изменения мощности излучения, но и температуры и состава смеси жидкостей (фактически контролируя, насколько далека смесь от критического состояния). Так, например, если вместо использованного состава (23 массовых процента лутидина и 76 процентов воды) использовать немного другое соотношение компонентов, то можно поднять критическую температуру расслаивания и уменьшить скорость вращения при той же мощности облучения и температуре среды.

При этом авторы отмечают, что небольшой градиент температур, который в эксперименте вызывает расслаивание жидкости, — вовсе не обязательное условие работы такого микромотора. Этого же эффекта можно достичь и, например, за счет разницы концентраций растворенных в жидкости веществ или кислотности среды. Основные достоинства предложенного подхода, по словам авторов работы, — независимость от поляризации света лазера и возможность работы микромотора при комнатной температуре. А использовать такое управляемое вращение микрочастицы ученые предлагают, например, для перемешивания жидкостей.

Использование эффектов диффузиофореза и диффузиоосмоса — довольно популярный подход для управления поведением подвижных микрочастиц в микрофлюидике. Например, недавно физики показали, как с помощью диффузиофореза при смешивании потоков разной солености можно менять локальной концентрация частиц, и что в некоторых случаях это приводит к забиванию ими микроканалов.

Александр Дубов