a Illustrazione dello smistamento di particelle chirali con destrimani e mancini mediante la forza laterale ottica in corrispondenza di un'interfaccia aria-acqua. b Immagine microscopica delle microparticelle chirali. La barra della scala è uguale a 5 μm. c Immagine SEM di microparticelle chirali polimeriche secche. La barra della scala è uguale a 1 μm. d Immagini TEM di fette sottili di microparticelle con diverse dimensioni e diverse configurazioni a spirale. Le barre della scala sono pari a 1 μm. Campo elettrico e vettore di Poynting 2D nel piano y-z per di 10° (e) e 45° (f). Le stringhe vettoriali di Poynting hanno una polarizzazione a sinistra (e) e a destra (f), risultanti forze laterali ottiche positive (e) e negative (f) rispettivamente Credito:di Cheng-Wei Qiu
Il momento fotonico che trasporta la luce può spingere e tirare le microparticelle attraverso lo scambio di momento. Questo processo di scambio di quantità di moto genera forze ottiche, che attrae (pinzette ottiche convenzionali), spinge (forza di radiazione) o tira (forza di trazione) microparticelle. Un nuovo interesse di ricerca emergente, forza ottica laterale che rappresenta la forza ottica perpendicolare alla direzione di propagazione di un raggio non gradiente, ha attirato molta attenzione. La forza laterale può essere generata utilizzando particelle achirali attraverso la conversione di spin e momento orbitale di un raggio polarizzato circolarmente. Si prevede inoltre che una nanoparticella chirale posta sopra una superficie possa generare la forza laterale utilizzando un'eccitazione di onde piane. Però, ci sono poche dimostrazioni della forza laterale dipendente dalla chiralità, e le particelle utilizzate nella previsione teorica sono 100 nm che ha applicazioni limitate. Oltretutto, manca la teoria della forza laterale ottica su particelle più grandi (dimensione ~ lunghezza d'onda).
In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce , gli scienziati hanno progettato un esperimento per dimostrare la forza laterale ottica dipendente dalla chiralità. Sintetizzano microparticelle con una forte chiralità e le fanno galleggiare all'interfaccia tra aria e acqua. Dopo l'illuminazione con un raggio polarizzato linearmente incidente obliquamente, microparticelle chirali con diversa manualità (sinistra e destra) si muoveranno in direzioni opposte. interessante, trovano in teoria che la forza laterale ottica potrebbe invertire segni con diversa polarizzazione della luce e angolo di incidenza, valore di chiralità e dimensione delle particelle. Hanno anche sviluppato modelli intriganti nella prospettiva del trasferimento di quantità di moto per elaborare questa forza laterale ottica. Il metodo e la tecnica riportati apriranno nuove strade per il futuro rilevamento diretto e smistamento di microparticelle con differenze chimiche impercettibili e ispireranno l'esplorazione di fenomeni ottici con interazioni luce-materia.
La configurazione sperimentale è facile, richiedendo solo un raggio laser polarizzato s o p e focalizzandolo in una forma ellittica utilizzando due lenti cilindriche. Le microparticelle chirali galleggiano all'interfaccia tra aria e acqua in un micropozzetto fabbricato mediante litografia morbida. Questa configurazione offre molte possibilità per sondare la fisica ottica intrigante, come le interazioni spin-orbitale, rilevamento della chiralità, eccetera.
un, b Le particelle chirali con mano destra (κ> 0) (a) e mano sinistra (κ <0) (b) subiscono forze laterali a sinistra (R1, R2 e R3) e destra (L1 e L2), rispettivamente. Particelle con chiralità deboli (etichettate F1, F2 e F3) potrebbero essere influenzati dal flusso di fondo e muoversi con quasi le stesse velocità. Particelle diverse hanno velocità diverse a causa delle diverse dimensioni e delle chiralità leggermente diverse. La potenza del laser utilizzata era di 1,4 W. Le barre di scala in a e b sono uguali a 100 μm. c Velocità misurate di particelle con differenti chiralità sotto differenti potenze laser. d Misura della forza laterale ottica massima in ogni sequenza video con dimensioni delle particelle e polarizzazione della luce variabili. Le forze laterali hanno segni opposti sotto fasci polarizzati s e p quando la chiralità è la stessa. Credito:di Cheng-Wei Qiu
Questi scienziati riassumono il loro lavoro come:
"Abbiamo progettato il primo esperimento di forza laterale ottica assistita dalla chiralità su particelle chirali di Mie (dimensioni ~ lunghezza d'onda) per la separazione enantioselettiva. Recenti studi sulla separazione enantioselettiva e sulle particelle chirali si concentrano sulle particelle molto grandi (regione dell'ottica geometrica, taglia> lunghezza d'onda) a causa del limite della procedura di sintesi delle particelle e delle teorie esistenti. abbiamo dimostrato, per la prima volta, robusto smistamento bidirezionale delle particelle chirali di Mie, e il primo esempio di forze ottiche laterali reversibili, che riteniamo sia un complemento essenziale alla comunità dell'ottica e delle manipolazioni ottiche. La nostra teoria studia la dipendenza delle forze ottiche laterali reversibili con la dimensione delle particelle, angolo di incidenza, e polarizzazione della luce. Rispetto alla precedente forza laterale ottica non reversibile, Le mie particelle chirali sono piuttosto uniche e non banali, e hanno alcune proprietà intriganti. Anche, elaboriamo la forza laterale ottica dal punto di vista del trasferimento di quantità di moto, che è un modo semplice per manifestare la forza laterale ottica."
"Il nostro metodo è perspicace e utile per la dimostrazione di forze straordinarie poiché esclude le forze del gradiente ottico nelle pinzette ottiche convenzionali. Aiuta a completare il regno delle forze laterali ottiche sia in teoria che in esperimento. La tecnica presentata può essere utilizzata per senza contatto monitoraggio della manualità delle particelle chirali che esistono ampiamente nell'industria farmaceutica e dei biomateriali senza test con metodi chimici o biologici, " hanno aggiunto il Dr. Yuzhi Shi e il Prof. Cheng-Wei Qiu.
