Можно ли перемешать жидкости с помощью света

Сегодня биологи, химики, фармацевты все чаще используют микрореакторы, которые также называют лабораториями на чипе. Крошечные контейнеры, испещренные внутри канавками, имеют размер от нескольких кубических миллиметров до нескольких кубических сантиметров – не больше спичечного коробка. Тем не менее эти небольшие устройства позволяют делать экспресс-анализы крови, смешивать микроскопические дозы веществ для получения высокоэффективных лекарств, проводить опыты на клетках. Однако при работе с микрореакторами существует одна сложность: ученые практически не могут влиять на скорость перемешивания или, выражаясь научным языком, диффузии жидкостей и реагентов, которые попадают в такую лабораторию на чипе. Ученые Университета ИТМО совместно с коллегами из Чехии предложили методику, которая может решить эту проблему. Для перемешивания жидкостей они решили использовать так называемое световое давление. Еще в конце XIX века британский ученый Джеймс Максвелл высказал идею, что свет может оказывать давление на физические объекты. Вскоре русский ученый Петр Лебедев показал это на практике. Однако сила этого давления совсем небольшая, и в те времена ей применения не нашлось. Cейчас же этим направлением занимается целая отрасль физики – оптомеханика (за развитие которой в 2018 году была получена Нобелевская премия профессором Артуром Ашкиным). С помощью света захватывают живые клетки, двигают мельчайшие частицы вещества и, как оказалось, эти же силы можно использовать, чтобы перемешивать жидкости. Работа ученых опубликована в журнале Advanced Science. На основе последних достижений оптомеханики ученые из Санкт-Петербурга разработали наноантенну, представляющую из себя крошечный кубик кремния размером около двухсот нанометров. Это невидимое глазу устройство способно управлять световой волной, которая на нее попадает. «Наша наноантенна превращает свет круговой поляризации в оптический вихрь, – объясняет профессор Нового Физтеха Университета ИТМО Александр Шалин, – энергия света закручивается вокруг нее». Помимо наноантенн ученые предложили запустить в жидкость некоторое количество наночастиц золота. Захваченные оптическим вихрем частицы начинают крутиться вокруг кубика кремния, выступая таким образом в качестве той самой «ложечки» для перемешивания реактивов. Причем размер этой системы так мал, что она может усилить диффузию в сто раз в одном конце микрореактора, практически не влияя на то, что происходит в другом. «Золото – это химически инертный материал, который плохо вступает в реакции, – рассказывает соавтор работы Адриа Канос Валеро, – также он не токсичен. Кроме того, нам необходимо было добиться того, чтобы на наночастицы воздействовали только спиновые силы и радиационное давление, но не притяжение к наноантенне, иначе частицы просто прилипли бы к ней. Этот эффект наблюдается для частиц золота определенного размера, если на систему светит обычный зеленый лазер. Мы рассматривали и другие металлы, но, к примеру, для серебра эти эффекты наблюдаются лишь в ультрафиолетовом спектре, что менее удобно». Материал предоставлен пресс-службой Университета ИТМО