L'angolo di contatto delle gocce d'acqua aumenta notevolmente le emissioni laser, da Qiao et al., doi 10.1117/1.AP.3.1.016003. Credito:Qiao et al.
Piccole forze molecolari sulla superficie delle goccioline d'acqua possono svolgere un ruolo importante nelle emissioni di output laser. Come la matrice più fondamentale della vita, l'acqua guida numerose attività biologiche essenziali, attraverso interazioni con biomolecole e organismi. Lo studio degli effetti meccanici delle interazioni legate all'acqua contribuisce alla comprensione dei processi biochimici. Secondo Yu-Cheng Chen, professore di ingegneria elettronica alla Nanyang Technological University (NTU), "Come l'acqua interagisce con una superficie, l'idrofobicità alla bio-interfaccia determina principalmente l'equilibrio meccanico dell'acqua. L'idrofobicità molecolare all'interfaccia può servire come base per monitorare le interazioni e le dinamiche biomolecolari sottili".
Le gocce d'acqua sono state utilizzate per formare microlaser biologici che sfruttano la capacità intrinseca dell'acqua di confinare la luce con una dispersione minima. I laser a goccia beneficiano dell'oscillazione laser in una microcavità, in modo che qualsiasi sottile modifica indotta dal mezzo di guadagno o dalla cavità possa essere amplificata, portando a cambiamenti drammatici delle caratteristiche di emissione laser. Mentre i laser a goccia sono diventati piattaforme all'avanguardia negli studi biochimici/fisici e nelle applicazioni biomediche, l'interazione ottica tra i risonatori di goccioline e un'interfaccia è rimasta sconosciuta.
Come riportato in Fotonica avanzata , Il team NTU di Chen ha scoperto di recente che quando una goccia d'acqua interagisce con una superficie per formare un angolo di contatto, le forze molecolari interfacciali determinano la geometria di un risonatore di goccioline. I drammatici cambiamenti meccanici all'interfaccia giocano un ruolo significativo nell'oscillazione ottica dei risonatori di goccioline.
Il gruppo di Chen ha scoperto un meccanismo di oscillazione dei risonatori di goccioline, in cui il laser risuona lungo l'interfaccia goccia-aria nel piano verticale. Chen osserva che questa modalità laser orientata verticalmente "simile ad un arcobaleno" o "simile ad un arco" riflette avanti e indietro tra le due estremità dell'interfaccia della goccia, formando un'emissione laser unica ed estremamente potente. La squadra di Chen ha notato che, a differenza della modalità galleria di sussurri (WGM) comunemente vista, questo meccanismo laser appena scoperto è molto più sensibile alle forze molecolari interfacciali. Secondo Chen, "Le emissioni laser di questa modalità ad arco aumentano drammaticamente con l'incremento dell'idrofobicità interfacciale, così come l'angolo di contatto delle gocce."
(a) Schema di un laser a goccioline che ospita modalità simili ad arco (AL). Uno strato molecolare si deposita tra lo specchio e la gocciolina. La tensione interfacciale goccia-solido, la tensione superficiale solida, e la tensione superficiale delle goccioline determinano comunemente l'angolo di contatto. (b) Percorsi di oscillazione AL (in alto) e distribuzioni simulate del campo elettrico dei modi AL (in basso) sotto diversi angoli di contatto. (c) Sinistra:profili in vista laterale di goccioline con angoli di contatto variabili. A destra:immagini ottiche delle goccioline dopo il pompaggio. scatole gialle, le regioni di emissione laser. (d) Spettri ottici di risonatori a goccia con diverse tensioni interfacciali. (e) Angoli di contatto e uscite laser spettralmente integrate in funzione della diversa concentrazione biomolecolare di albumina sierica bovina (BSA) nelle goccioline. Credito:Qiao et al.
Cercando di spiegare questo fenomeno modulante, Il team di Chen ha anche scoperto che il fattore di qualità delle nuove modalità laser aumentava in modo significativo con l'aumento dell'angolo di contatto delle gocce. E il numero di percorsi di oscillazione delle modalità laser nelle goccioline è aumentato notevolmente. "Insieme, questi due fattori determinano il potenziamento delle emissioni laser con la forza delle forze molecolari interfacciali, "dice Chen.
Sulla base della loro scoperta, Il team di Chen ha esplorato la possibilità di utilizzare laser a goccioline per registrare i cambiamenti meccanici nelle biointerfacce. Come anticipato, hanno scoperto che un piccolo cambiamento delle forze biomolecolari interfacciali, indotta da una bassissima concentrazione di biomolecole, come peptidi o proteine, può essere registrato dalle emissioni laser dei laser a goccia.
Secondo Chen, "Questo lavoro dimostra un importante meccanismo di modulazione nei risonatori di goccioline e mostra il potenziale per sfruttare i risonatori ottici per amplificare i cambiamenti delle forze intermolecolari". Gli approfondimenti sui meccanismi laser aprono nuove prospettive per l'utilizzo dei microlaser per studiare le interazioni biomeccaniche e la fisica delle interfacce. Poiché i laser a goccioline possono fornire una nuova piattaforma per lo studio delle interazioni fisiche intermolecolari all'interfaccia, potrebbero essere particolarmente utili per esaminare le interazioni idrofobiche, che svolgono un ruolo vitale in numerose dinamiche fisiche e sistemi biologici.
