Ponekad znanstvenici trebaju kontrolirati postupak miješanja tekućina u tako malim spremnicima da tamo ne bi mogli spustiti ni najtanju iglu ili čak kosu. U međuvremenu, vrlo je važno kontrolirati brzinu difuzije molekula u takozvanim mikroreaktorima kako bismo stvorili nove učinkovite lijekove, proveli neke biološke eksperimente, pa čak i brzo dijagnosticirali bolesti. Znanstvenici sa Sveučilišta ITMO i njihove kolege s Češke akademije znanosti predložili su rješenje problema pomoću svjetlosne energije.
Danas biolozi, kemičari i farmaceuti sve više koriste mikroreaktore, koji se nazivaju i laboratorijima na čipu. Sitni spremnici, isprekidani utorima unutar, u rasponu su od nekoliko kubičnih milimetara do nekoliko kubičnih centimetara - ne veći od kutije za šibicu. Bez obzira na to, ovi mali uređaji omogućavaju brze pretrage krvi, miješanje mikroskopskih doza tvari za dobivanje vrlo učinkovitih lijekova i provođenje eksperimenata na stanicama.
No, pri radu s mikroreaktorima postoji jedna poteškoća: znanstvenici praktički ne mogu utjecati na brzinu miješanja ili, znanstveno gledano, na difuziju tekućina i reagensa koji u takav laboratorij uđu na čip. Znanstvenici sa Sveučilišta ITMO, zajedno s kolegama iz Češke, predložili su metodologiju koja može riješiti ovaj problem. Odlučili su koristiti takozvani lagani tlak za miješanje tekućina.
Još krajem 19. stoljeća, britanski znanstvenik James Maxwell iznio je ideju da svjetlost može vršiti pritisak na fizičke objekte. Ubrzo je to u praksi pokazao ruski znanstvenik Pyotr Lebedev. Međutim, snaga ovog tlaka je vrlo mala, a u one dane nije se koristila. Sada se na ovom području bavi čitava grana fizike - optomehanika (za čije je razvoj 2018. godine Nobelovu nagradu primio profesor Arthur Ashkin). Uz pomoć svjetlosti, oni hvataju žive stanice, premještaju i najmanje čestice materije i, kako se pokazalo, iste sile mogu se upotrijebiti za miješanje tekućina. Rad znanstvenika objavljen je u časopisu Advanced Science.
Na temelju najnovijih dostignuća optomehanike, znanstvenici iz Sankt Peterburga razvili su nanoantennu, sićušnu kocku silikona veličine oko dvjesto nanometara. Ovaj uređaj, nevidljiv oku, može kontrolirati svjetlosni val koji ga udara. "Naša nanoantenna pretvara kružno polariziranu svjetlost u optički vrtlog", objašnjava Alexander Shalin, profesor sa ITMO sveučilišta Novy Phystech, "svjetlosna energija se vrti oko nje."
Osim nanotentena, znanstvenici su predložili da se u tekućinu ubaci određena količina zlatnih nanočestica. Čestice zarobljene optičkim vrtlogom počinju se vrtjeti oko kocke silicija, djelujući na taj način kao "žlica" za miješanje reagensa. Štoviše, veličina ovog sustava je toliko mala da može stotinu puta pojačati difuziju na jednom kraju mikroreaktora, praktički bez utjecaja na ono što se događa na drugom.
"Zlato je kemijski inertan materijal koji ne reagira dobro," kaže koautor Adria Canos Valero, "i također je netoksičan. Pored toga, trebali smo osigurati da na nanočestice djeluju samo sile spina i pritisak zračenja, ali ne i privlačenje nanoantenne, jer bi se inače čestice jednostavno zalijepile za nju. Taj se efekt primjećuje za zlatne čestice određene veličine ako na sustavu zasja obični zeleni laser. Razmotrili smo i druge metale, ali, na primjer, za srebro, ti efekti se primjećuju samo u ultraljubičastom spektru, što je manje prikladno."
Materijal pružio Sveučilišna tiskovna služba ITMO
Promotivni video:
Vasily Makarov