Natuurkundigen ontdekken een nieuwe optische eigenschap die de draaiing in kleine helices meet

Een nieuwe niet-lineaire optische eigenschap van kleine deeltjes is ontdekt door een internationaal team van wetenschappers onder leiding van natuurkundigen van de Universiteit van Bath, met belangrijke implicaties voor onderzoekers die werkzaam zijn op uiteenlopende gebieden als displaytechnologie, chemische katalyse en geneeskunde.

Deze nieuwe eigenschap wordt zichtbaar wanneer licht dat door kleine deeltjes gaat – qua grootte vergelijkbaar met de golflengte van licht – wordt verstrooid in een kleur die verschilt van die van verlichting. Het verstrooide licht bevindt zich op de ’tweede harmonische frequentie’, wat betekent dat het tweemaal de frequentie heeft van het verlichtende licht.

De studiegepubliceerd in ACS Nano, gingen op zoek naar het Tyndall-effect – het fenomeen van lichtverstrooiing door deeltjes die groter zijn dan nanodeeltjes maar kleiner dan microdeeltjes. Deeltjes van deze omvang omvatten virussen en eencellige organismen, zoals bacteriën.

Bij belichting met wit licht zien dergelijke deeltjes er blauw uit (blauwe ogen danken hun kleur ook aan het Tyndall-effect).

Tweede-harmonische Tyndall-verstrooiing

Anorganische deeltjes verspreid in vloeistoffen zijn nuttig in veel toepassingen, waaronder het toevoegen van kleur aan verven en kunststoffen, UV-beschermingscrèmes (zinkoxide en titaniumdioxide verstrooien ultraviolet licht maar laten zichtbaar licht door), katalyse (om chemische reacties te versnellen of mogelijk te maken) en medische therapieën (voorbeelden zijn onder meer het inkapselen van medicijnen en het afleveren ervan bij hun doel; het selectief knippen van DNA en het doden van virussen).

Voor al deze toepassingen is het essentieel dat onderzoekers de grootte en vorm van de deeltjes nauwkeurig en in realtime kunnen karakteriseren.

Licht is de beste methode om dergelijke analyses uit te voeren op deeltjes in water, wat vaak het medium is waarin ze worden vastgehouden. Wanneer deeltjes worden belicht, bevat hun verstrooide licht informatie over zowel hun grootte als hun geometrie.

Verschillende methoden voor het analyseren van de deeltjesgrootte zijn afhankelijk van het Tyndall-effect. De meeste methoden zijn afhankelijk van zwakke lichtbronnen (meestal lampen) en het verzamelde verstrooide licht heeft dezelfde kleur als de verlichting. Andere, meer geavanceerde methoden zijn afhankelijk van een laserlichtbron. De nieuwe studie tilt het inzicht van wetenschappers in licht dat door laser wordt verstrooid naar een hoger niveau.

Professor Ventsislav Valev, die zowel het Bath-team als de studie leidde, legde uit: “Wanneer een laser – met een lange lichtgolf – wordt gebruikt in het experiment van Tyndall, kan licht in een andere kleur worden gecreëerd – met een korte golf – en vervolgens worden verspreid. De nieuwe kleur komt overeen met tweemaal de lichttrilling van verlichting.

“Deze ontdekking werd in 1965 gedaan in de laboratoria van Ford Motor Company en is van toepassing op deeltjes van alle groottes. Maar als de grootte van een deeltje overeenkomt met het Tyndall-effectbereik, kunnen het verlichtende en het nieuw gecreëerde licht beter gescheiden worden in de ruimte. het Tyndall-effect sorteert lichtgolven op grootte.

“Maar één geometrische eigenschap is tot nu toe onwaarneembaar gebleven met deze nieuwe studie: chiraliteit!”

Gedraaide moleculen

Chiraliteit is een fundamentele geometrische eigenschap op vrijwel alle lengteschalen. Bij mensen en andere levende organismen zijn alle functionele aminozuren chiraal, en dat geldt ook voor suikers, eiwitten, enzovoort. Chiraliteit wordt uitgedrukt in de richting van de draaiing van een molecuul (met de klok mee of tegen de klok in), vergelijkbaar met de draaiing van een DNA-helix.

Voor de nieuwe studie vervaardigden teamleden uit de Verenigde Staten siliciumhelices met een lengte van ongeveer 270 nm, wat qua grootte overeenkomt met sommige virussen, grote exosomen en bacteriofagen.

Professor Valev zei: “We ontdekten dat wanneer we deze spiralen belichten met chiraal (of circulair gepolariseerd) laserlicht, het verstrooide licht ons kan vertellen in welke richting de siliciumhelices terechtkomen.

“Eén reden waarom dit belangrijk is, is omdat silicium het meest voorkomende vaste element op aarde is, dus elke nieuwe eigenschap biedt potentieel voor duurzame en kosteneffectieve toepassingen.

“Een andere reden is dat het meten van twist (chiraliteit) hard nodig is voor het assembleren van anorganische materialen uit nanotechnologische bouwstenen. Het belang is vergelijkbaar met dat van het maken en vervolgens kunnen meten van de schroefdraad van een gestandaardiseerde schroef.”

Vooruitkijkend zei professor Valev: “Nu we een basislijn hebben voor de eigenschappen van afzonderlijke helices in water, is de volgende fase om ze te gaan modificeren en ze uiteindelijk in zelf-assemblerende materialen te bouwen.”

Ph.D. student Ben Olohan, eerste auteur van de onderzoekspublicatie, zei: “De sleutel hier is dat biologische processen zich uitstrekken van moleculen tot celassemblages en daarbuiten. Vergeleken met de lengteschalen van Tyndall-verstrooiing zijn soortgelijke effecten waargenomen voor veel kleinere en grotere groepen.” veel grotere deeltjes.

“Dus dit effect op de middellange lengteschaal moest bestaan, maar bleef onopgemerkt. Daarom bleef ik hard zoeken naar de demonstratie ervan. Het geeft voor mijn doctoraatsproject een zeer bevredigend gevoel om zo’n ‘ontbrekende schakel’ in de wetenschap te hebben gevonden.” .”