Construcción y operación de un sistema del Motor rotatorio de Nanorod oro impulsado por la luz

El objetivo general de este sistema experimental es generar y medir la rotación y el par a escala nanométrica utilizando pinzas ópticas polarizadas circularmente. Los objetos giratorios se pueden interrogar utilizando instrumentación adicional para el análisis de la dinámica browniana y la espectroscopia de dispersión de luz. Este método puede ayudarnos a responder preguntas clave en física térmica y óptica a nanoescala.

Por ejemplo, relacionado con la difusión browniana de nanopartículas y la transferencia del momento angular óptico a una nanopartícula. La principal ventaja de esta técnica es que permite una rotación estable de la nanopartícula a altas frecuencias, y que las mediciones proporcionan información detallada sobre la nanopartícula y sus entornos inmediatos. La idea es atrapar una nanopartícula metálica mediante un rayo láser enfocado en una configuración de pinza óptica.

Si el láser de captura está polarizado circularmente, la nanopartícula girará debido a la transferencia del momento angular de la luz. Construya la configuración alrededor de un microscopio invertido adecuado. La configuración incluye elementos tanto para las pinzas ópticas como para las mediciones en una partícula atrapada.

Esta es una representación esquemática de la configuración. Por ahora, concéntrese en los elementos para las pinzas ópticas. Elija un láser polarizado linealmente de 660 nanómetros con una potencia de salida estable de hasta 500 milivatios.

Utilice lentes en una configuración de telescopio kepleriano para expandir el haz. Utilice espejos en monturas cinemáticas para dirigir el rayo láser al microscopio. Dentro del microscopio, use un divisor de haz 50 50 para acoplar la luz láser al objetivo.

Para la alineación y la recopilación de datos se incluye una cámara en la trayectoria de la luz reflejada. En este caso, un espejo giratorio dentro del microscopio puede dirigir la luz hacia él. Ajuste las lentes keplerianas para expandir el haz.

Haga que el haz sea ligeramente más grande que la apertura posterior del objetivo de captura para optimizar el enfoque. Desplácese a lo largo de la trayectoria del haz para comprobar la colimación. El diámetro del haz debe ser constante a medida que se propaga al objetivo.

Enfoca el láser en un portaobjetos de vidrio o un espejo. Realice un ajuste fino con los espejos en la trayectoria del haz. Un láser mal alineado tiene un patrón de intensidad no radialmente simétrico.

Si el láser está alineado, su patrón de intensidad es radialmente simétrico al cambiar el enfoque por encima y por debajo del punto focal. Ahora polarizar circularmente el haz introduciendo una placa de cuarto de onda. Oriéntelo con su eje rápido a 45 grados a la polarización lineal de la luz.

Para un rendimiento rotativo óptimo, es fundamental tener una buena polarización circular del láser. En caso de que surja un problema en esta etapa, inserte la placa de media onda para corregir la birrefringencia adversa de los componentes ópticos en la trayectoria del haz. Finalmente, configure un sistema de campo oscuro e iluminación de collar con un condensador sumergido en aceite.

Reparar los elementos para la espectroscopia de correlación de fotones. Instale un divisor de haz para redirigir la luz del microscopio a un puerto. En el puerto, coloque un conjunto de un polarizador lineal, seguido de una etapa x y con una fibra de recolección.

Enfoque la luz en la fibra de recolección en la etapa de traslación x y. En última instancia, la fibra se convertirá en un fotodiodo de silicio rápido de un solo píxel. Asegúrese de que el tamaño del núcleo de la fibra de recolección sea lo suficientemente grande como para contener la imagen de la nanopartícula durante sus excursiones debido al movimiento browniano de traslación.

Si no se cumple este criterio, los datos recopilados pueden ser difíciles de interpretar. Para alinear la fibra de la colección, acople la luz visible a su extremo suelto. Esto iluminará el sustrato en el microscopio y permitirá la visita de la región de recolección de la fibra. Ajuste la posición de la fibra con la etapa de traducción.

Deténgase cuando la región de recolección coincida con la posición de la trampa óptica. A continuación, mueva el extremo de la fibra de la fuente de luz al detector. En este esquema, estos elementos representan la configuración necesaria para la espectroscopia de correlación de fotones.

Para la configuración de la espectroscopia de campo oscuro, tenga el espectrómetro en su lugar. Luz directa al espectrómetro con el espejo en la trayectoria del haz reflejado. En este caso, el espejo se encuentra con el cuerpo del microscopio Utilice un filtro de muesca antes del espejo para eliminar la luz láser que atrapa.

Ajuste los espejos guía para que las pinzas ópticas coincidan con la rendija del espectrómetro. Comienza preparando las partículas para el experimento. Diluya las partículas en agua desionizada hasta una concentración adecuada.

Sonicar la solución diluida durante dos minutos para romper los agregados y crear una dispersión uniforme. A continuación, prepare la celda de muestra. Use un portaobjetos de microscopio y un cubreobjetos.

Sonicarlos durante cinco minutos cada uno en acetona, seguido de isopropanol. Cuando termines, crea un pozo de cinta espaciadora de 100 micrómetros de profundidad en el portaobjetos de vidrio. Disperse dos microlitros de la solución de nanopartículas diluidas dentro del pocillo.

Deposita también dos micro litros sobre el cubreobjetos. Une las dos partes de la celda. No debe haber burbujas de aire dentro de la cámara.

Mueva la célula a la etapa del microscopio. Allí coloque una gota de aceite de inmersión del índice de inmersión en la parte superior de la muestra. Coloque otra gota en el condensador.

Inicie el experimento con el láser de trampa bloqueado. Localizó una partícula adecuada a través de la observación en el sistema de imágenes de campo oscuro. Desbloquee el láser y manipule la platina y el enfoque para empujar la partícula hacia la interfaz del vaso de agua.

Para las mediciones de la dinámica de rotación, recoja la oscilación de intensidad con el fotodetector de silicio. Para mediciones espectroscópicas, comience con el sustrato de perlas de poliestireno densamente dispersas y uniformemente dispersas. Registre el espectro de luz blanca de la respuesta de dispersión del sustrato.

A continuación, sustituya la muestra de perlas en el microscopio por la muestra de nanopartículas. Grabe un espectro de fondo con luz parásita desde el punto de captura. A continuación, bloquee toda la luz del detector, registre un espectro oscuro en esta condición.

Retire el bloque del haz, finalmente atrape una nanopartícula y registre el espectro bruto asociado con ella. Se trata de fluctuaciones de intensidad de la luz láser retrodispersada de una nanovarilla atrapada y giratoria. A partir de estos datos no tratados, es difícil extraer información en cualquier escala de tiempo.

Sin embargo, cuando los datos de intensidad se correlacionan automáticamente, muestran oscilaciones relacionadas con la frecuencia de rotación de la nano varilla. El decaimiento oscilatorio después de unos pocos períodos se debe al movimiento rotativo browniano. La línea roja es un ajuste a la función teórica de autocorrelación de la que se puede extraer información detallada sobre el movimiento de rotación.

Aquí, la intensidad bruta dispersa de una nano varilla atrapada está en azul oscuro. Se distorsiona por la presencia de un filtro de muesca. Para aislar el espectro de dispersión de la nanovarilla, calibre los datos sin procesar con el espectro de fondo, en rojo, y un espectro de excitación de luz blanca en naranja.

Este es el espectro de dispersión corregido. El espectro muestra dos resonancias de plasmones superficiales localizadas distintas, como se esperaba. En este gráfico, los puntos azules son el espectro de dispersión de una nano varilla atrapada sin tener en cuenta la región del espectro distorsionada.

La curva roja es el ajuste de la función del modelo bi-Lorentziano. Los componentes de los ajustes son en azul claro y naranja. Una vez que se construye la configuración y se domina la técnica, el experimento de captura y rotación óptica se puede realizar en unas pocas horas si se realiza correctamente.

Al intentar este procedimiento, es importante recordar que debe usar nano varillas apropiadas que dominen la resonancia en el lado de la longitud de onda azul del láser, también debe tener picos de resonancia claramente separados y ser físicamente lo suficientemente grande como para quedar atrapado de manera estable. Las pinzas ópticas para experimentos de rotación de nanovarillas se pueden construir utilizando una gama de diferentes longitudes de onda láser, objetivos de microscopio y microscopios con solo alteraciones menores. Además, se puede agregar fácilmente instrumentación para mediciones brownianas traslacionales para la recopilación de datos complementarios.

Esta plataforma de rotación de nanopartículas ha demostrado ser útil como osciloscopio para medir la viscosidad y la temperatura local, para rastrear los cambios morfológicos de nanovarillas y recubrimientos moleculares y como transductor y sonda de procesos fototérmicos y termodinámicos. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo realizar experimentos de pinzas ópticas en nanovarillas metálicas. Cómo rotarlos usando luz polarizada circularmente y cómo extraer información a través de espectroscopía de correlación de fotones y espectroscopía de campo oscuro.

No olvide que trabajar con láseres puede ser extremadamente peligroso para los ojos, y siempre se deben tomar precauciones como el uso de gafas de seguridad láser y filtros láser adecuados y los procedimientos de manipulación mientras se realiza este procedimiento.