Costruzione e funzionamento di un sistema motore basato su luce oro Nanorod Rotary

L'obiettivo generale di questo sistema sperimentale è quello di generare e misurare la rotazione e la coppia su scala nanometrica utilizzando pinzette ottiche polarizzate circolarmente. Gli oggetti rotanti possono essere interrogati utilizzando strumentazione aggiuntiva per l'analisi della dinamica browniana e la spettroscopia di diffusione della luce. Questo metodo può aiutarci a rispondere a domande chiave nella fisica termica e ottica su scala nanometrica.

Ad esempio, relativo alla diffusione browniana di nanoparticelle e al trasferimento del momento angolare ottico in una nanoparticella. Il vantaggio principale di questa tecnica è che consente una rotazione stabile delle nanoparticelle ad alte frequenze e che le misurazioni forniscono informazioni dettagliate sulla nanoparticella e sui suoi ambienti immediati. L'idea è quella di intrappolare una nano particella metallica mediante un raggio laser focalizzato in una pinzetta ottica.

Se il laser di intrappolamento è polarizzato circolarmente, la nanoparticella ruoterà a causa del trasferimento del momento angolare dalla luce. Costruisci la configurazione attorno a un microscopio invertito adatto. La configurazione include elementi sia per le pinzette ottiche che per le misurazioni su una particella intrappolata.

Questa è una rappresentazione schematica della configurazione. Per ora, concentrati sugli elementi per le pinzette ottiche. Scegli un laser a polarizzazione lineare da 660 nanometri con una potenza di uscita stabile fino a 500 milliwatt.

Utilizzare lenti in una configurazione di telescopio kepleriano per espandere il raggio. Utilizzare gli specchi nelle montature cinematiche per dirigere il raggio laser verso il microscopio. All'interno del microscopio, utilizzare un divisore di raggio 50 50 per accoppiare la luce laser nell'obiettivo.

Per l'allineamento e la raccolta dei dati, includere una telecamera nel percorso della luce riflessa. In questo caso, uno specchio girevole all'interno del microscopio può dirigere la luce verso di esso. Regola le lenti kepleriane per espandere il fascio.

Rendi il raggio leggermente più grande dell'apertura posteriore dell'obiettivo di intrappolamento per ottimizzare la messa a fuoco. Spostarsi lungo il percorso del fascio per controllare la collimazione. Il diametro del fascio deve essere costante durante la propagazione verso l'obiettivo.

Focalizzare il laser su un vetrino o uno specchio. Eseguire la regolazione fine con gli specchi nel percorso del raggio. Un laser allineato in modo errato ha un modello di intensità non radialmente simmetrico.

Se il laser è allineato, il suo modello di intensità è radialmente simmetrico quando si cambia la messa a fuoco sopra e sotto il punto focale. Ora polarizza circolarmente il raggio introducendo una piastra a quarto d'onda. Orientalo con il suo asse veloce a 45 gradi rispetto alla polarizzazione lineare della luce.

Per prestazioni rotative ottimali è fondamentale avere una buona polarizzazione circolare del laser. Nel caso in cui si verifichino problemi in questa fase, inserire la piastra a semionda per correggere la birifrangenza avversa dei componenti ottici nel percorso del fascio. Infine, impostare un sistema di campo scuro e l'illuminazione a collare utilizzando un condensatore a bagno d'olio.

Riparare gli elementi per la spettroscopia di corelazione dei fotoni. Installare il beamsplitter per reindirizzare la luce dal microscopio a una porta. Alla porta, posizionare un assemblaggio di un polarizzatore lineare, seguito da uno stadio x y con una fibra di raccolta.

Focalizzare la luce sulla fibra di raccolta nella fase di traslazione x y. La fibra alla fine andrà a un veloce fotodiodo al silicio a pixel singolo. Assicurarsi che la dimensione del nucleo della fibra di raccolta sia abbastanza grande da contenere l'immagine della nanoparticella durante le sue escursioni dovute al moto browniano traslazionale.

Se questo criterio non è soddisfatto, i dati raccolti possono essere difficili da interpretare. Per allineare la fibra di raccolta, accoppiare la luce visibile alla sua estremità non attaccata. Questo illuminerà il substrato nel microscopio e consentirà la visita della regione di raccolta della fibra Regolare la posizione della fibra con la fase di traslazione.

Arrestarsi quando l'area di raccolta coincide con la posizione della trappola ottica. Quindi spostare l'estremità della fibra dalla sorgente luminosa al rilevatore. In questo schema, questi elementi rappresentano la configurazione necessaria per la spettroscopia di corelazione fotonica.

Per la configurazione della spettroscopia in campo oscuro, posizionare lo spettrometro. Dirigere la luce verso lo spettrometro con lo specchio nel percorso del raggio riflesso. In questo caso, lo specchio si trova con il corpo del microscopio Utilizzare un filtro notch prima dello specchio per rimuovere la luce laser che intrappola.

Regolare gli specchi di guida in modo che le pinzette ottiche coincidano con la fessura dello spettrometro. Inizia preparando le particelle per l'esperimento. Diluire le particelle in acqua deionizzata a una concentrazione appropriata.

Sonicare la soluzione diluita per due minuti per rompere gli aggregati e creare una dispersione uniforme. Quindi preparare la cella campione. Utilizzare un vetrino da microscopio e un vetro di copertura.

Sonicarli per cinque minuti ciascuno in acetone, seguito da isopropanolo. Al termine, creare un nastro distanziatore profondo 100 micrometri sul vetrino. Disperdere due microlitri della soluzione di nanoparticelle diluita all'interno del pozzetto.

Depositare anche due micro litri sul vetro di copertura. Unisci le due parti della cella. Non dovrebbero esserci bolle d'aria all'interno della camera.

Spostare la cella sul tavolino del microscopio. Posizionare una goccia di olio da immersione abbinato all'indice sulla parte superiore del campione. Metti un'altra goccia sul condensatore.

Inizia l'esperimento con il laser di intrappolamento bloccato. Individuata una particella adatta attraverso l'osservazione nel sistema di imaging in campo oscuro. Sblocca il laser e manipola il tavolino e la messa a fuoco per spingere la particella in avanti verso l'interfaccia del bicchiere d'acqua.

Per le misure di dinamica rotazionale, raccogliere l'oscillazione di intensità con il fotorivelatore al silicio. Per le misure spettroscopiche, iniziare con il substrato di perle di polistirene densamente disperse e uniformemente diffuse. Registrare lo spettro della luce bianca dalla risposta di scattering del substrato.

Quindi sostituire il campione di perline al microscopio con il campione di nanoparticelle. Registra uno spettro di fondo con luce diffusa dal punto di intrappolamento. Quindi bloccare tutta la luce dal rivelatore, registrare uno spettro scuro in questa condizione.

Rimuovere il blocco dal raggio, infine intrappolare una nano particella e registrare lo spettro grezzo ad essa associato. Si tratta di fluttuazioni di intensità della luce laser retrodiffusa proveniente da un'asta nano rotante intrappolata. Da tali dati non trattati, è difficile estrarre informazioni su qualsiasi scala temporale.

Tuttavia, quando i dati sull'intensità sono correlati automaticamente, mostrano le oscillazioni correlate alla frequenza di rotazione della nano barra. Il decadimento oscillatorio dopo alcuni periodi è dovuto al moto browniano rotatorio. La linea rossa è un adattamento alla funzione teorica di autocorrelazione da cui è possibile estrarre informazioni dettagliate sul movimento rotatorio.

Qui l'intensità sparsa grezza da una nano barra intrappolata è in blu scuro. È distorto dalla presenza di un filtro notch. Per isolare lo spettro di scattering della nano barra, calibrare i dati grezzi con lo spettro di fondo, in rosso, e uno spettro di eccitazione della luce bianca in arancione.

Questo è lo spettro di scattering corretto. Lo spettro mostra due distinte risonanze plasmoniche superficiali localizzate, come previsto. In questo grafico, i punti blu sono lo spettro di scattering da un nano rod intrappolato con la regione dello spettro distorta ignorata.

La curva rossa è l'adattamento della funzione modello bi-lorentziana. I componenti adatti sono in azzurro e arancione. Una volta costruita la configurazione e padroneggiata la tecnica, l'esperimento di intrappolamento ottico e rotazione può essere eseguito in poche ore se eseguito correttamente.

Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare di utilizzare nano barre appropriate che dominano la risonanza sul lato della lunghezza d'onda blu del laser, dovrebbe anche avere picchi di risonanza chiaramente separati ma essere fisicamente abbastanza grande da essere intrappolato stabilmente. Le pinzette ottiche per esperimenti di rotazione delle nano aste possono essere costruite utilizzando una gamma di diverse lunghezze d'onda laser, obiettivi per microscopi e microscopi con solo piccole modifiche. Inoltre, la strumentazione per le misure browniane traslazionali può essere facilmente aggiunta per la raccolta di dati complementari.

Questa piattaforma di rotazione delle nanoparticelle si è dimostrata utile come misuratore di viscosità e temperatura locale con oscilloscopio, per tracciare i cambiamenti morfologici di nano barre e rivestimenti molecolari e come trasduttore e sonda di processi fototermici e termodinamici. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come eseguire esperimenti di pinzetta ottica su nano-barre metalliche. Come ruotarli utilizzando la luce polarizzata circolarmente e come estrarre informazioni attraverso la spettroscopia di corelazione fotonica e la spettroscopia di campo scuro.

Non dimenticare che lavorare con i laser può essere estremamente pericoloso per gli occhi e che durante l'esecuzione di questa procedura è necessario adottare sempre precauzioni come indossare occhiali di sicurezza laser e filtri laser adeguati e procedure di manipolazione.