Budowa i działanie napędzanego światłem układu silnika obrotowego Gold Nanorod

Ogólnym celem tego eksperymentalnego systemu jest generowanie i mierzenie rotacji i momentu obrotowego w skali nano za pomocą pęsety optycznej o polaryzacji kołowej. Obracające się obiekty mogą być badane za pomocą dodatkowego oprzyrządowania do analizy dynamiki Browna i spektroskopii rozpraszania światła. Metoda ta może pomóc nam odpowiedzieć na kluczowe pytania z zakresu fizyki termicznej i optycznej w skali nano.

Na przykład związane z dyfuzją Browna nanocząstki i przeniesieniem optycznego momentu pędu do nanocząstki. Główną zaletą tej techniki jest to, że umożliwia stabilną rotację nanocząstek przy wysokich częstotliwościach, a pomiary dostarczają szczegółowych informacji o nanocząstce i jej bezpośrednim otoczeniu. Pomysł polega na uwięzieniu metalicznej nanocząstki za pomocą skupionej wiązki laserowej w konfiguracji pęsety optycznej.

Jeśli laser pułapkujący jest spolaryzowany kołowo, nanocząstka będzie się obracać z powodu przeniesienia momentu pędu ze światła. Zbuduj konfigurację wokół odpowiedniego mikroskopu odwróconego. Zestaw zawiera elementy zarówno do pęsety optycznej, jak i pomiarów na uwięzionej cząstce.

To jest schematyczne przedstawienie konfiguracji. Na razie skup się na elementach pęsety optycznej. Wybierz laser spolaryzowany liniowo 660 nanometrów o stabilnej mocy wyjściowej do 500 miliwatów.

Użyj soczewek w konfiguracji teleskopu keplerowskiego, aby rozszerzyć wiązkę. Użyj luster w mocowaniach kinematycznych, aby skierować wiązkę lasera do mikroskopu. Wewnątrz mikroskopu użyj rozdzielacza wiązki 50 50, aby sprzęgnąć światło laserowe z obiektywem.

Do wyrównania i zbierania danych dołącz kamerę na ścieżce odbitego światła. W takim przypadku obrotowe lustro wewnątrz mikroskopu może skierować na niego światło. Dostosuj soczewki keplerowskie, aby rozszerzyć wiązkę.

Wiązka powinna być nieco większa niż tylny otwór obiektywu zalewkowego, aby zoptymalizować ostrość. Poruszaj się po ścieżce wiązki, aby sprawdzić kolimację. Średnica wiązki powinna być stała w miarę rozchodzenia się do celu.

Ustaw ostrość laser na szklanym szkiełku lub lustrze. Wykonaj precyzyjne dostrajanie za pomocą lusterek na ścieżce wiązki. Nieprawidłowo ustawiony laser ma niepromieniowo symetryczny wzór intensywności.

Jeśli laser jest wyrównany, jego wzór intensywności jest promieniowo symetryczny podczas zmiany ostrości powyżej i poniżej punktu ogniskowego. Teraz spolaryzuj wiązkę kołowo, wprowadzając płytkę ćwierćfalową. Ustaw go z szybką osią pod kątem 45 stopni do liniowej polaryzacji światła.

Aby uzyskać optymalną wydajność obrotową, kluczowe znaczenie ma dobra polaryzacja kołowa lasera. W przypadku, gdy na tym etapie pojawi się problem, włóż płytkę półfalową, aby skorygować niekorzystną dwójłomność elementów optycznych na ścieżce wiązki. Na koniec ustaw system ciemnego pola i oświetlenie kołnierza za pomocą skraplacza zanurzonego w oleju.

Naprawa elementów do spektroskopii korelacji fotonów. Zainstaluj rozdzielacz wiązki, aby przekierować światło z mikroskopu do portu. W porcie umieść zespół polaryzatora liniowego, a następnie stolik x y ze włóknem zbiorczym.

Skoncentruj światło na włóknie kolekcji na etapie translacji xy. Światłowód ostatecznie trafi do szybkiej jednopikselowej krzemowej fotodiody. Upewnij się, że rozmiar rdzenia włókna zbiorczego jest wystarczająco duży, aby pomieścić obraz nanocząstki podczas jej wędrówek spowodowanych translacyjnym ruchem Browna.

Jeśli to kryterium nie zostanie spełnione, zebrane dane mogą być trudne do interpretacji. Aby wyrównać włókno zbierające, przymocuj światło widzialne do jego niepodłączonego końca. Oświetli to podłoże w mikroskopie i umożliwi wizytę w obszarze zbierania włókna Dostosuj położenie włókna do etapu translacji.

Zatrzymaj się, gdy obszar zbierania pokrywa się z położeniem pułapki optycznej. Następnie przesuń końcówkę światłowodu od źródła światła do detektora. Na tym schemacie elementy te reprezentują konfigurację potrzebną do spektroskopii korelacji fotonów.

W przypadku konfiguracji spektroskopii ciemnego pola należy mieć spektrometr na miejscu. Skieruj światło na spektrometr z lustrem na ścieżce odbitej wiązki. W takim przypadku lustro znajduje się wraz z korpusem mikroskopu Użyj filtra wycinającego przed lustrem, aby usunąć zatrzymujące światło laserowe.

Wyreguluj zwierciadła prowadzące tak, aby pęseta optyczna pokrywała się ze szczeliną spektrometru. Zacznij od przygotowania cząstek do eksperymentu. Rozcieńczyć cząstki w wodzie dejonizowanej do odpowiedniego stężenia.

Sonikować rozcieńczony roztwór przez dwie minuty, aby rozbić agregaty i stworzyć jednolitą dyspersję. Następnie przygotuj próbkę komórki. Użyj szkiełka mikroskopowego i szkła nakrywkowego.

Sonikować je przez pięć minut w acetonie, a następnie w izopropanolu. Po zakończeniu utwórz taśmę dystansową o głębokości 100 mikrometrów na szklanym szkiełku. Rozproszyć dwa mikrolitry rozcieńczonego roztworu nanocząstek w studzience.

Umieść również dwa mikrolitry na szkle nakrywkowym. Połącz ze sobą dwie części komórki. Wewnątrz komory nie powinno być żadnych pęcherzyków powietrza.

Przenieś komórkę do stolika mikroskopu. Tam umieść jeden olejek immersyjny dopasowany do indeksu kropli na wierzchu próbki. Umieść kolejną kroplę na skraplaczu.

Rozpocznij eksperyment z zablokowanym laserem pułapkującym. Zlokalizowano odpowiednią cząstkę poprzez obserwację w systemie obrazowania ciemnego pola. Odblokuj laser i manipuluj stolikiem i skup się, aby popchnąć cząstkę do przodu w kierunku interfejsu szkła wodnego.

W przypadku pomiarów dynamiki rotacji zbierz intensywność oscylacji za pomocą krzemowego fotodetektora. Do pomiarów spektroskopowych należy rozpocząć od podłoża z gęsto rozproszonych, równomiernie rozsypujących się kulek polistyrenowych. Zarejestruj widmo światła białego z odpowiedzi rozpraszania substratu.

Następnie zastąp próbkę kulki w mikroskopie próbką nanocząstek. Nagraj widmo tła ze światłem rozproszonym z miejsca pułapki. Następnie zablokuj całe światło z detektora, zarejestruj ciemne widmo w tym stanie.

Usuń blok z wiązki, na koniec uwięzij nanocząstkę i zapisz związane z nią surowe widmo. Są to fluktuacje intensywności wstecznie rozproszonego światła laserowego z uwięzionego, obracającego się nanopręta. Z tak nieprzetworzonych danych trudno jest wydobyć informacje w jakiejkolwiek skali czasowej.

Jednakże, gdy dane o intensywności są automatycznie skorelowane, pokazują oscylacje związane z częstotliwością obrotu nanopręta. Zanik oscylacyjny po kilku okresach jest spowodowany rotacyjnym ruchem Browna. Czerwona linia jest dopasowana do teoretycznej funkcji automatycznej korelacji, z której można uzyskać szczegółowe informacje o ruchu obrotowym.

Tutaj surowa rozproszona intensywność z uwięzionego pręta nano jest w kolorze ciemnoniebieskim. Jest zniekształcony przez obecność filtra wycinającego. Aby wyizolować widmo rozpraszania nanopręta, skalibruj surowe dane z widmem tła w kolorze czerwonym i widmem wzbudzenia światła białego w kolorze pomarańczowym.

Jest to skorygowane widmo rozpraszania. Widmo pokazuje dwa odrębne, zlokalizowane, powierzchniowe rezonanse plazmonowe, zgodnie z oczekiwaniami. Na tym wykresie niebieskie punkty są widmem rozpraszania z uwięzionego nanopręta z pominięciem zniekształconego obszaru widma.

Czerwona krzywa jest dopasowaniem funkcji modelu bi-Lorentza. Elementy pasowania są w kolorze jasnoniebieskim i pomarańczowym. Po skonstruowaniu konfiguracji i opanowaniu techniki, eksperyment z pułapką optyczną i rotacją można przeprowadzić w ciągu kilku godzin, jeśli zostanie wykonany prawidłowo.

Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać o użyciu odpowiednich nanoprętów, które dominują rezonans po niebieskiej stronie długości fali lasera, powinny one również mieć wyraźnie oddzielone piki rezonansowe, a jednocześnie być fizycznie wystarczająco duże, aby można je było stabilnie uwięzić. Pęseta optyczna do eksperymentów z rotacją nanoprętów może być skonstruowana przy użyciu szeregu różnych długości fal laserowych, obiektywów mikroskopowych i mikroskopów z niewielkimi zmianami. Co więcej, oprzyrządowanie do translacyjnych pomiarów Browna można łatwo dodać w celu gromadzenia danych uzupełniających.

Ta platforma rotacji nanocząstek okazała się przydatna jako oscyloskopowy miernik lepkości i lokalnej temperatury, do śledzenia zmian morfologicznych nanoprętów i powłok molekularnych oraz jako przetwornik i sonda procesów fototermicznych i termodynamicznych. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak przeprowadzać eksperymenty z pęsetą optyczną na metalowych nanoprętach. Jak je obracać za pomocą światła spolaryzowanego kołowo i jak wydobywać informacje za pomocą spektroskopii korelacji fotonów i spektroskopii ciemnego pola.

Nie zapominaj, że praca z laserami może być bardzo niebezpieczna dla oczu, a podczas wykonywania tej procedury należy zawsze podejmować środki ostrożności, takie jak noszenie laserowych okularów ochronnych i odpowiednich filtrów laserowych oraz procedur obsługi.