Manchmal müssen Wissenschaftler den Prozess des Mischens von Flüssigkeiten in so kleinen Behältern kontrollieren, dass es nicht möglich ist, selbst die dünnste Nadel oder sogar die Haare dort abzusenken. In der Zwischenzeit ist es sehr wichtig, die Diffusionsrate von Molekülen in sogenannten Mikroreaktoren zu kontrollieren, um neue wirksame Medikamente zu entwickeln, einige biologische Experimente durchzuführen und sogar Krankheiten schnell zu diagnostizieren. Wissenschaftler der ITMO-Universität und ihre Kollegen von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften schlugen vor, das Problem mithilfe von Lichtenergie zu lösen.
Heute verwenden Biologen, Chemiker und Apotheker zunehmend Mikroreaktoren, auch Laboratorien auf einem Chip genannt. Die winzigen Behälter, die innen mit Rillen übersät sind, haben eine Größe von einigen Kubikmillimetern bis zu einigen Kubikzentimetern - nicht größer als eine Streichholzschachtel. Trotzdem ermöglichen diese kleinen Geräte die Durchführung von Express-Blutuntersuchungen, das Mischen mikroskopischer Dosen von Substanzen, um hochwirksame Arzneimittel zu erhalten, und das Durchführen von Experimenten an Zellen.
Bei der Arbeit mit Mikroreaktoren gibt es jedoch eine Schwierigkeit: Wissenschaftler können die Mischgeschwindigkeit oder wissenschaftlich gesehen die Diffusion von Flüssigkeiten und Reagenzien, die auf einem Chip in ein solches Labor gelangen, praktisch nicht beeinflussen. Wissenschaftler der ITMO-Universität haben zusammen mit Kollegen aus der Tschechischen Republik eine Methode vorgeschlagen, mit der dieses Problem gelöst werden kann. Sie beschlossen, den sogenannten leichten Druck zum Mischen von Flüssigkeiten zu verwenden.
Bereits im späten 19. Jahrhundert hatte der britische Wissenschaftler James Maxwell die Idee vertreten, dass Licht Druck auf physische Objekte ausüben kann. Bald zeigte der russische Wissenschaftler Pjotr Lebedew dies in der Praxis. Die Kraft dieses Drucks ist jedoch sehr gering und wurde damals nicht angewendet. Jetzt ist ein ganzer Zweig der Physik in diesem Bereich tätig - die Optomechanik (für deren Entwicklung Professor Arthur Ashkin 2018 den Nobelpreis erhielt). Mit Hilfe von Licht fangen sie lebende Zellen ein, bewegen die kleinsten Materieteilchen und können, wie sich herausstellte, mit denselben Kräften Flüssigkeiten rühren. Die Arbeit von Wissenschaftlern wird in der Zeitschrift Advanced Science veröffentlicht.
Basierend auf den neuesten Fortschritten in der Optomechanik haben Wissenschaftler aus St. Petersburg eine Nanoantenne entwickelt, bei der es sich um einen winzigen Siliziumwürfel handelt, der etwa zweihundert Nanometer groß ist. Dieses für das Auge unsichtbare Gerät kann die Lichtwelle steuern, die darauf trifft. "Unsere Nanoantenne wandelt zirkular polarisiertes Licht in einen optischen Wirbel um", erklärt Alexander Shalin, Professor an der Novy Phystech University von ITMO. "Die Lichtenergie wirbelt um sie herum."
Zusätzlich zu Nanoantennen schlugen die Wissenschaftler vor, eine bestimmte Menge Goldnanopartikel in die Flüssigkeit einzubringen. Die vom optischen Wirbel eingefangenen Partikel beginnen sich um den Siliziumwürfel zu drehen und fungieren somit als "Löffel" zum Mischen der Reagenzien. Darüber hinaus ist die Größe dieses Systems so klein, dass es die Diffusion an einem Ende des Mikroreaktors um den Faktor 100 erhöhen kann, praktisch ohne Einfluss darauf, was am anderen Ende passiert.
„Gold ist ein chemisch inertes Material, das nicht gut reagiert“, sagt Co-Autorin Adria Canos Valero, „und es ist auch ungiftig. Außerdem mussten wir sicherstellen, dass nur Spinkräfte und Strahlungsdruck auf die Nanopartikel wirken, nicht jedoch die Anziehungskraft auf die Nanoantenne, da sonst die Partikel einfach daran haften bleiben. Dieser Effekt wird bei Goldpartikeln einer bestimmten Größe beobachtet, wenn ein gewöhnlicher grüner Laser auf das System scheint. Wir haben andere Metalle in Betracht gezogen, aber zum Beispiel für Silber werden diese Effekte nur im ultravioletten Spektrum beobachtet, was weniger praktisch ist."
Material bereitgestellt vom ITMO University Press Service
Werbevideo:
Wassili Makarow
