Schema della trappola ottica sperimentale descritta nel testo. La configurazione contiene un modulatore di luce spaziale (SLM), condensatore a campo oscuro (DF Cond.), specchio dicroico (DM) e piatto a quarto d'onda (QWP). Il laser di intrappolamento viene riflesso dall'SLM, che viene utilizzato per la sagomatura del fascio. L'illuminazione del campo scuro che si disperde dalle nanoparticelle di Ag (argento) viene raccolta dall'obiettivo del microscopio, filtrato spettralmente e ripreso da una telecamera di rilevamento array sCMOS (CMOS scientifico). b) Raffigura la maschera di fase utilizzata per creare la trappola ad anello utilizzata negli esperimenti. c) Immagine della trappola ad anello sul rivelatore sCMOS. Il punto gaussiano al centro è il riflesso di ordine zero del laser di intrappolamento dall'SLM. Lo spot non ha influenzato gli esperimenti poiché la trappola aveva un diametro maggiore (barra della scala 1 µm). Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0105-y
La terza legge di Newton stabilisce che le forze tra le particelle interagenti sono uguali e opposte per i sistemi chiusi. In un ambiente di non equilibrio, la terza legge può essere sfidata, dando luogo a forze "non reciproche". Teoricamente, questo è stato dimostrato quando dissimile, le particelle otticamente intrappolate sono state mediate da un campo esterno. In un recente studio, Yuval Yifat e colleghi hanno misurato le forze non reciproche nette in interazioni elettrodinamiche, dimeri di nanoparticelle asimmetrici e aggregati di nanoparticelle. Negli esperimenti, le strutture delle nanoparticelle sono state confinate a geometrie pseudo unidimensionali e illuminate da onde piane. Il moto osservato era dovuto alla conservazione della quantità di moto totale per particelle e campi con simmetria speculare rotta (rappresentata da una direzione cambiata del moto). I risultati sono ora pubblicati su Luce:scienza e applicazioni .
La capacità di convertire l'energia luminosa in movimento autodiretto con nanomotori o micromacchine azionati dalla luce ha già suscitato grande interesse. Una varietà di metodi in ottica può produrre movimento rotatorio o dare origine a movimento traslatorio con materiali fotoreattivi. La promessa di progettare nanomotori guidati dalla luce è nata da recenti lavori teorici, che prevedeva che particelle dissimili illuminate da un'onda piana elettromagnetica, sperimenteranno una forza netta non reciproca.
È stato dimostrato con simulazioni che le forze non reciproche previste variano molto poco con la separazione interparticellare. Però, prove sperimentali semplici sul fenomeno non sono state presentate finora. Esplorare gli effetti ottici reattivi può aprire nuove possibilità di autoassemblaggio, micromacchine guidate dalla luce per annunciare un nuovo campo nell'ottica e nella fotonica.
Per colmare il vuoto sperimentale, in questo studio, Yifat et al. dimostrato auto-motilità utilizzando dimeri otticamente legati di nanoparticelle metalliche sproporzionate (NP). I risultati sperimentali sono stati supportati anche da simulazioni elettrodinamiche quantitative. A parte i dimeri, gli scienziati hanno generato e misurato in modo simile il movimento di cluster o assemblaggi di nanoparticelle asimmetrici. Per eseguire gli esperimenti, Yifat et al. ha utilizzato una configurazione di intrappolamento ottico standard con un laser Ti:Zaffiro operante a una lunghezza d'onda di 790 nm. Una mirata, fascio di luce polarizzato circolarmente spazialmente modulato in fase ha formato una trappola ad anello ottico.
Un diagramma schematico dell'esperimento:a) Traiettorie di esempio per un omodimero (nero) e un eterodimero (colore) che si muovono in senso antiorario (verde) e orario (blu). Distribuzione delle velocità angolari istantanee (punti grigi) e delle velocità angolari medie degli omodimeri (b, nero) ed eterodimeri (c, arancione) in funzione della separazione interparticellare. La dimensione del contenitore è 300 nm. Il valore della velocità angolare media è stato calcolato adattando una funzione gaussiana alla distribuzione della velocità istantanea. Le barre di errore sono gli intervalli di confidenza 3σ per le medie adattate della distribuzione. La velocità positiva è definita come il movimento dell'eterodimero verso l'NP più grande. d) I valori di spostamento quadratico medio (MSD) calcolati per i dati dell'omodimero mostrati in (b) (nero), i dati dell'eterodimero che sono mostrati in (c) (arancione), e il sottoinsieme dei dati dell'eterodimero in cui la separazione interparticellare era ≤1.2 μm (rosso). Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0105-y
Nello studio, il movimento di una miscela intrappolata di nanoparticelle di argento (Ag) con un diametro di 150 nm - 200 nm è stato misurato mediante microscopia in campo oscuro a un frame rate elevato di 290 fps. Le particelle sono state tracciate, e la loro posizione precisa utilizzata per calcolare la posizione angolare (θi) sull'anello. Gli scienziati hanno condotto l'imaging e il tracciamento delle particelle utilizzando il toolbox di tracciamento delle particelle a mosaico disponibile tramite il software Image J.
Yifat et al. osservato un "eterodimero" di particelle dissimili in cui il movimento diretto di coppie che interagiscono elettrodinamicamente era verso la particella più grande. Al contrario, quando due particelle della stessa dimensione, definito un "omodimero" è venuto in stretta vicinanza, movimento diretto non è stato osservato. I risultati erano in accordo con le forze calcolate utilizzando la teoria di Mie generalizzata (GMT). Gli scienziati non hanno osservato la rotazione completa o libera nell'esperimento:la coppia manifestata e il suo effetto saranno studiati ulteriormente in lavori futuri.
Dinamiche indotte dalla forza “non reciproche”. a) Esempi di traiettorie per un omodimero (nero) e un eterodimero (colore) che si muovono in senso antiorario (verde) e orario (blu). Distribuzione delle velocità angolari istantanee (punti grigi) e delle velocità angolari medie degli omodimeri (b, nero) ed eterodimeri (c, arancione) in funzione della separazione interparticellare. La dimensione del contenitore è 300 nm. Il valore della velocità angolare media è stato calcolato adattando una funzione gaussiana alla distribuzione della velocità istantanea. Le barre di errore sono gli intervalli di confidenza 3σ per le medie adattate della distribuzione. La velocità positiva è definita come il movimento dell'eterodimero verso l'NP più grande. d) I valori di spostamento quadratico medio (MSD) calcolati per i dati dell'omodimero mostrati in (b) (nero), i dati dell'eterodimero che sono mostrati in (c) (arancione), e il sottoinsieme dei dati dell'eterodimero in cui la separazione interparticellare era ≤1.2 μm (rosso). Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0105-y
Successivamente, Yifat et al. ha ripreso le traiettorie temporali rappresentative di θ C (l'angolo al centro della coppia) per gli eterodimeri e gli omodimeri. Negli eterodimeri, il moto della coppia era diretto verso la particella più grande e quindi poteva muoversi in senso orario o antiorario, intorno all'anello a seconda del suo orientamento. Gli scienziati hanno ripetuto gli esperimenti e combinato i risultati. Nei dati combinati con diversi orientamenti eterodimeri, la velocità positiva è stata definita come il vettore dal campione più piccolo verso la particella più grande.
Ad esempio, gli eterodimeri hanno mostrato una velocità angolare media positiva a una separazione del legame ottico di 600 ± 150 nm e una velocità angolare media negativa quando la separazione era maggiore a 900 ± 150 nm. In contrasto, la velocità angolare media per un omodimero era zero per tutte le separazioni. La variazione della velocità media e il movimento della coppia di eterodimeri verso il più grande, la particella termicamente più calda era dovuta al campo elettromagnetico e non all'autotermoforesi indotta dal calore (cioè gradiente di temperatura locale generato a causa dell'adsorbimento laser da parte delle particelle rivestite di metallo).
Video dell'eterodimero d'argento (Ag) in una trappola ad anello – movimento in senso antiorario. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0105-y
I risultati concordano con le pubblicazioni precedenti sull'asimmetria della luce diffusa da oggetti otticamente intrappolati. Il movimento simulato è stato similmente diretto dalla particella piccola alla particella più grande. Gli scienziati hanno osservato uno squilibrio della dispersione angolare dipendente dalla separazione (dove più luce è stata dispersa in una direzione rispetto a un'altra). L'asimmetria nella diffusione in campo lontano ha creato una forza sul dimero, mettendolo in moto come osservato. Una simile diffusione asimmetrica è stata precedentemente osservata per la nanoantenna plasmonica. Yifat et al. ha utilizzato lo stesso approccio sperimentale per studiare i dimeri di nanostar d'oro (Au) e grandi aggregati asimmetrici di nanoparticelle d'oro.
Video di cluster di nanoparticelle d'oro (Au) nella trappola ad anello. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0105-y
In questo modo, gli scienziati hanno dimostrato sperimentalmente il movimento guidato dalla luce di eterodimeri e diffusori asimmetrici nelle trappole ottiche ad anello per quantificare le forze nette non reciproche nei campi d'onda piani unidimensionali. Sebbene gli esperimenti fossero limitati a una trappola ad anello in questo studio, la strategia è trasferibile a qualsiasi struttura di materia otticamente intrappolata che mostri asimmetria elettromagnetica. L'intrappolamento ottico utilizzato nello studio ha offerto soluzioni alla sfida sperimentale di generare un movimento diretto su scala nanometrica. Le forze non reciproche nello studio hanno creato le particelle automobili senza l'uso di ambienti chimici, combustibili chimici o strutture complesse.
La teoria elettrodinamica e le simulazioni che sono state condotte simultaneamente nello studio hanno anche mostrato che le interazioni tra le particelle causavano una diffusione asimmetrica negli eterodimeri. L'opera segue quindi fondamentalmente il teorema di Noether (la simmetria dell'azione di un sistema fisico contiene una corrispondente legge di conservazione). Di conseguenza, Yuvat et al. razionalizzare che l'auto-motilità osservata e le forze non reciproche quantificate derivano dalla conservazione della quantità di moto totale di particelle e campi, per sistemi con simmetria rotta. Gli scienziati prevedono l'uso di tali gruppi di nanoparticelle asimmetrici guidati dalla luce come colloidi attivi con sistemi chemiotattici artificiali, e come "nanonuotatori" pienamente operativi per la ricerca sulla materia soffice e sulla biofisica.
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