Construction et exploitation d’un système de moteur axée sur la lumière or nanotige Rotary

L’objectif global de ce système expérimental est de générer et de mesurer la rotation et le couple à l’échelle nanométrique à l’aide de pinces optiques à polarisation circulaire. Les objets en rotation peuvent être interrogés à l’aide d’instruments supplémentaires pour l’analyse de la dynamique brownienne et la spectroscopie de diffusion de la lumière. Cette méthode peut nous aider à répondre à des questions clés en physique thermique et optique à l’échelle nanométrique.

Par exemple, lié à la diffusion brownienne de nanoparticules et au transfert du moment angulaire optique dans une nanoparticule. Le principal avantage de cette technique est qu’elle permet une rotation stable des nanoparticules à haute fréquence, et que les mesures fournissent des informations détaillées sur la nanoparticule et son environnement immédiat. L’idée est de piéger une nanoparticule métallique par un faisceau laser focalisé dans une pince optique.

Si le laser de piégeage est polarisé circulairement, la nanoparticule tournera en raison du transfert du moment angulaire de la lumière. Construisez l’installation autour d’un microscope inversé approprié. La configuration comprend des éléments pour la pince à épiler optique et les mesures sur une particule piégée.

Il s’agit d’une représentation schématique de la configuration. Pour l’instant, concentrez-vous sur les éléments de la pince à épiler optique. Choisissez un laser à polarisation linéaire de 660 nanomètres avec une puissance de sortie stable allant jusqu’à 500 milliwatts.

Utilisez des lentilles dans une configuration de télescope képlérien pour élargir le faisceau. Utilisez des miroirs dans des montures cinématiques pour diriger le faisceau laser vers le microscope. À l’intérieur du microscope, utilisez un séparateur de faisceau 50-50 pour coupler la lumière laser à l’objectif.

Pour l’alignement et la collecte de données, incluez une caméra sur le chemin de la lumière réfléchie. Dans ce cas, un miroir pivotant à l’intérieur du microscope peut diriger la lumière vers celui-ci. Ajustez les lentilles képlériennes pour élargir le faisceau.

Faites en sorte que le faisceau soit légèrement plus grand que l’ouverture arrière de l’objectif de piégeage pour optimiser la mise au point. Déplacez-vous le long de la trajectoire du faisceau pour vérifier la collimation. Le diamètre du faisceau doit être constant lorsqu’il se propage vers l’objectif.

Focalisez le laser sur une lame de verre ou un miroir. Effectuez un réglage précis avec les miroirs dans le trajet du faisceau. Un laser mal aligné a un motif d’intensité non symétrique radialement.

Si le laser est aligné, son intensité est radialement symétrique lorsque l’on change la mise au point au-dessus et en dessous du point focal. Maintenant, polarisez circulairement le faisceau en introduisant une plaque quart d’onde. Orientez-le avec son axe rapide à 45 degrés par rapport à la polarisation linéaire de la lumière.

Pour des performances rotatives optimales, il est essentiel d’avoir une bonne polarisation circulaire du laser. En cas de problème à ce stade, insérez la plaque demi-onde pour corriger la biréfringence défavorable des composants optiques dans le trajet du faisceau. Enfin, mettez en place un système de fond noir et un éclairage par collier à l’aide d’un condenseur immergé dans l’huile.

Réparer les éléments pour la spectroscopie de corelation photonique. Installez un séparateur de faisceau pour rediriger la lumière du microscope vers un port. Au niveau du port, placez un ensemble d’un polariseur linéaire, suivi d’un étage x y avec une fibre collectrice.

Concentrez la lumière sur la fibre collectrice sur l’étape de translation x y. La fibre ira finalement à une photodiode en silicium rapide à pixel unique. Assurez-vous que la taille du noyau de la fibre collectrice est suffisamment grande pour contenir l’image de la nanoparticule lors de ses excursions dues au mouvement brownien translationnel.

Si ce critère n’est pas respecté, les données collectées peuvent être difficiles à interpréter. Pour aligner la fibre collectrice, couplez la lumière visible à son extrémité non attachée. Cela éclairera le substrat dans le microscope et permettra de visiter la région de collecte de la fibre. Ajustez la position de la fibre avec la platine de translation.

Arrêtez-vous lorsque la zone de collecte coïncide avec la position du piège optique. Déplacez ensuite l’extrémité de la fibre de la source lumineuse vers le détecteur. Dans ce schéma, ces éléments représentent la configuration nécessaire à la spectroscopie de corelation photonique.

Pour la configuration de la spectroscopie à fond noir, ayez le spectromètre en place. Dirigez la lumière vers le spectromètre avec le miroir sur la trajectoire du faisceau réfléchi. Dans ce cas, le miroir est situé avec le corps du microscope Utilisez un filtre à encoche avant le miroir pour retirer la lumière laser piégeante.

Ajustez les miroirs de guidage pour que la pince optique coïncide avec la fente du spectromètre. Commencez par préparer les particules pour l’expérience. Diluez les particules dans de l’eau déminéralisée à une concentration appropriée.

Sonicez la solution diluée pendant deux minutes pour briser les agrégats et créer une dispersion uniforme. Préparez ensuite la cellule d’échantillon. Utilisez une lame de microscope et un verre de protection.

Faites-les pénétrer pendant cinq minutes chacun dans de l’acétone, suivi de l’isopropanol. Une fois terminé, créez un ruban d’espacement de 100 micromètres de profondeur bien sur la lame de verre. Dispersez deux microlitres de la solution de nanoparticules diluée dans le puits.

Déposez également deux micro litres sur le verre de protection. Assemblez les deux parties de la cellule. Il ne doit pas y avoir de bulles d’air à l’intérieur de la chambre.

Déplacez la cellule sur la platine du microscope. Placez une huile d’immersion à indice de goutte adaptée sur l’échantillon. Placez une autre goutte sur le condenseur.

Démarrez l’expérience avec le laser de piégeage bloqué. Localisation d’une particule appropriée grâce à l’observation dans le système d’imagerie en fond noir. Débloquez le laser et manipulez la platine et faites la mise au point pour pousser la particule vers l’avant vers l’interface du verre d’eau.

Pour les mesures de dynamique de rotation, collectez l’intensité de l’oscillation à l’aide du photodétecteur au silicium. Pour les mesures spectroscopiques, commencez par le substrat de billes de polystyrène densément dispersées et uniformément diffusées. Enregistrez le spectre de la lumière blanche à partir de la réponse de diffusion du substrat.

Ensuite, remplacez l’échantillon de billes au microscope par l’échantillon de nanoparticules. Enregistrez un spectre d’arrière-plan avec une lumière parasite à partir du point de piégeage. Ensuite, bloquez toute la lumière du détecteur, enregistrez un spectre sombre dans ces conditions.

Retirez le bloc du faisceau, piégez enfin une nanoparticule et enregistrez le spectre brut qui lui est associé. Il s’agit de fluctuations d’intensité de la lumière laser rétrodiffusée provenant d’une nanotige piégée en rotation. À partir de données non traitées, il est difficile d’extraire des informations sur une échelle de temps.

Cependant, lorsque les données d’intensité sont auto-corrélées, elles montrent les oscillations liées à la fréquence de rotation de la nano-tige. La décroissance oscillatoire après quelques périodes est due au mouvement de rotation brownien. La ligne rouge est un ajustement à la fonction théorique d’autocorrélation à partir de laquelle on peut extraire des informations détaillées sur le mouvement de rotation.

Ici, l’intensité brute diffusée d’une nano-tige piégée est en bleu foncé. Il est déformé par la présence d’un filtre coupe-bande. Pour isoler le spectre de diffusion de la nano-tige, calibrez les données brutes avec le spectre de fond, en rouge, et un spectre d’excitation de la lumière blanche en orange.

Il s’agit du spectre de diffusion corrigé. Le spectre présente deux résonances plasmoniques de surface localisées, comme prévu. Dans ce graphique, les points bleus sont le spectre de diffusion d’une nano-tige piégée, sans tenir compte de la région du spectre déformée.

La courbe rouge est l’ajustement de la fonction du modèle bi-lorentzien. Les composants de l’ajustement sont en bleu clair et orange. Une fois l’installation construite et la technique maîtrisée, l’expérience de piégeage et de rotation optique peut être effectuée en quelques heures si elle est effectuée correctement.

Lors de la tentative de cette procédure, il est important de se rappeler d’utiliser des nano-tiges appropriées qui dominent la résonance du côté de la longueur d’onde bleue du laser, il doit également avoir des pics de résonance clairement séparés tout en étant physiquement suffisamment grand pour être piégé de manière stable. Les pinces optiques pour les expériences de rotation de nano-tiges peuvent être construites à l’aide d’une gamme de différentes longueurs d’onde laser, d’objectifs de microscope et de microscopes, avec seulement des modifications mineures. De plus, des instruments pour les mesures translationnelles du brownien peuvent facilement être ajoutés pour la collecte de données complémentaires.

Cette plate-forme de rotation de nanoparticules s’est avérée utile comme indicateur d’oscilloscope de la viscosité et de la température locale, pour suivre les changements morphologiques des nano-bâtonnets et des revêtements moléculaires et comme transducteur et sonde des processus photothermiques et thermodynamiques. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’effectuer des expériences d’épilation optique sur des nano-tiges métalliques. Comment les faire pivoter à l’aide d’une lumière polarisée circulairement et comment extraire des informations par spectroscopie de corelation photonique et spectroscopie à fond noir.

N’oubliez pas que travailler avec des lasers peut être extrêmement dangereux pour les yeux et que des précautions telles que le port de lunettes de sécurité laser et de filtres laser appropriés et les procédures de manipulation doivent toujours être prises lors de l’exécution de cette procédure.