Использование градиента температур повысило эффективность оптического пинцета

Физики разработали новый тип оптического пинцета, который работает за счет создания в системе градиентов температурного и электрического полей. Метод основан на добавлении в систему заряженных поверхностно-активных веществ и позволяет захватывать и перемещать нано- и микрочастицы с помощью лазерных пучков мощностью на 2–3 порядка ниже, чем в современных оптических пинцетах, пишут ученые в Nature Photonics.

Захват и перемещение микрообъектов неконтактными способами с помощью внешних полей — один из критически важных методов при биологическом анализе или при исследовании свойств коллоидных систем. Сейчас один из наиболее эффективных инструментов для таких целей — оптические пинцет, действие которого основано на взаимодействии поляризуемых объектов со светом. Электрическое поле в лазерном пучке приводит к поляризации диэлектрических объектов, и возникающую разность потенциалов можно использовать, чтобы зафиксировать положение этих частиц и передвинуть их в нужное место.

Физики из США, Испании и Турции под руководством Юэбина Чжэна (Yuebing Zheng) из Техасского университета в Остине предложили модифицировать стандартную методику оптического пинцета за счет использования температурного поля, которое возникает при нагревании поверхностей или раствора под действием лазера. Принцип работы разработанного авторами оптотермоэлектрического пинцета основан на термофоретическом движении заряженных частиц и ионов под действием градиента температур, который создается внутри и вокруг пучка лазера.

Чтобы таким образом можно было управлять положением, например, металлических нано- или микрочастиц, ученые предложили помещать эти частицы в водный раствор поверхностно-активного вещества. Часть молекул вещества осаждается на поверхность исследуемых металлических частиц в виде двойного слоя, заряжая таким образом поверхность, а другая часть — остается в растворе, формируя мицеллы — совсем небольшие сферические капельки с заряженной поверхностью.

Если этот раствор поместить над металлической поверхностью с термоплазмонными свойствами, то при облучении ее лазерным пучком в ней образуется тепловое поле с выраженным перепадом температур. Эти заряженные мицеллы вместе с ионами хлора за счет диффузии реагировали на градиент образующегося в пучке лазера температурного поля, что приводило к возникновению в системе устойчивого электрического поля, которое в свою очередь приводило к захвату самой металлической частицы.

Предложенный метод ученые проверили на золотых и серебряных наночастицах размером около 100 нанометров, находящихся в коллоидном растворе цетилтриметиламмонийхлорида, который использовался в качестве поверхностно-активного вещества. В качестве нанопинцета физики использовали лазерный пучок с длиной волны 532 нанометра, мощностью от 0,05 до 0,4 микроватта на квадратный микрометр и диаметром около 2 микрометров. При облучении золотой подложки такой пинцет создает разницу температур около 12 градусов Цельсия.

С помощью этого пинцета исследователям удалось успешно захватить оба типа металлических частиц, а также переместить их на расстояние более ста микрометров. При этом ученые отмечают, что добиться этого можно с помощью лазера мощностью примерно на 2–3 порядка меньше, чем у тех пучков, которые используются в традиционных оптических пинцетах.

Кроме этого, с использованием предложенного метода ученые смогли зафиксировать в заданных позициях сразу несколько металлических частиц одновременно, расположив их по вершинам правильных треугольника или шестиугольника, а также захватить сильно анизотропную серебряную наночастицу и ориентировать ее заранее заданным образом.

Исследование аналогичных систем с помощью методов компьютерного моделирования и количественные экспериментальные оценки подтверждают, что захват частиц происходит именно по описанному учеными механизму. При этом авторы работы отмечают, что во всех предыдущих модификациях оптического пинцета нагрев вещества под действием лазера никак не использовался, предложенная ими схема — первая, которая использует для захвата именно температурные градиенты. По словам физиков, в будущем разработанный метод можно использовать для захвата и перемещения очень разнообразных по своей природе объектов: проводящих и полупроводниковых частиц с различными свойствами поверхностей, а также биологических объектов, в частности макромолекулярных структур и клеток.

С помощью светового потока можно перемещать отдельные частицы иногда довольно необычным образом. Например, недавно китайские физики показали, что с помощью единственного лазерного пучка можно одновременно толкать и тянуть одну и ту же золотую пластинку. За счет того, что силы притяжения отталкивания при этом имеют разную природу освещаемый объект можно заставить бегать туда-сюда.

Александр Дубов