Construção e operação de um sistema de Motor controlado por luz ouro Nanorod Rotary

O objetivo geral deste sistema experimental é gerar e medir a rotação e o torque em escala nano usando pinças ópticas polarizadas circularmente. Os objetos em rotação podem ser interrogados usando instrumentação adicional para análise dinâmica browniana e espectroscopia de espalhamento de luz. Este método pode nos ajudar a responder a perguntas-chave em física térmica e óptica em nanoescala.

Por exemplo, relacionado à difusão browniana de nanopartículas e transferência de momento angular óptico para uma nanopartícula. A principal vantagem dessa técnica é que ela permite a rotação estável de nanopartículas em altas frequências e que as medições fornecem informações detalhadas sobre a nanopartícula e seus ambientes imediatos. A ideia é prender uma nanopartícula metálica por um feixe de laser focado na configuração da pinça óptica.

Se o laser de aprisionamento for polarizado circularmente, a nanopartícula girará devido à transferência do momento angular da luz. Construa a configuração em torno de um microscópio invertido adequado. A configuração inclui elementos para as pinças ópticas e medições em uma partícula presa.

Esta é uma representação esquemática da configuração. Por enquanto, concentre-se nos elementos para as pinças ópticas. Escolha um laser polarizado linearmente de 660 nanômetros com uma potência de saída estável de até 500 miliwatts.

Use lentes em uma configuração de telescópio kepleriano para expandir o feixe. Use espelhos em montagens cinemáticas para direcionar o feixe de laser para o microscópio. Dentro do microscópio, use um divisor de feixe 50 50 para acoplar a luz do laser na objetiva.

Para alinhamento e coleta de dados, inclua uma câmera no caminho da luz refletida. Nesse caso, um espelho giratório dentro do microscópio pode direcionar a luz para ele. Ajuste as lentes keplerianas para expandir o feixe.

Faça o feixe um pouco maior que a abertura traseira da objetiva de trapping para otimizar o foco. Mova-se ao longo do caminho do feixe para verificar a colimação. O diâmetro do feixe deve ser constante à medida que se propaga para a objetiva.

Focalize o laser em uma lâmina de vidro ou em um espelho. Execute o ajuste fino com os espelhos no caminho do feixe. Um laser alinhado incorretamente tem um padrão de intensidade não radialmente simétrico.

Se o laser estiver alinhado, seu padrão de intensidade é radialmente simétrico ao alterar o foco acima e abaixo do ponto focal. Agora polarize circularmente o feixe introduzindo uma placa de quarto de onda. Oriente-o com seu eixo rápido a 45 graus em relação à polarização linear da luz.

Para um desempenho rotativo ideal, é fundamental ter uma boa polarização circular do laser. Caso surja um problema neste stage, insira a placa de meia onda para corrigir a birrefringência adversa dos componentes ópticos no caminho do feixe. Por fim, configure um sistema de campo escuro e iluminação de colar usando condensador imerso em óleo.

Repare os elementos para espectroscopia de correlação de fótons. Instale o divisor de feixe para redirecionar a luz do microscópio para uma porta. Na porta, coloque um conjunto de um polarizador linear, seguido por um estágio x y com uma fibra de coleta.

Concentre a luz na fibra de coleta no estágio de tradução xy. A fibra acabará indo para um fotodiodo de silício de pixel único rápido. Certifique-se de que o tamanho do núcleo da fibra de coleta seja grande o suficiente para conter a imagem da nanopartícula durante suas excursões devido ao movimento browniano translacional.

Se este critério não for cumprido, os dados recolhidos podem ser difíceis de interpretar. Para alinhar a fibra de coleta, acople a luz visível à sua extremidade solta. Isso iluminará o substrato no microscópio e permitirá a visitação da região de coleta da fibra Ajuste a posição da fibra com o estágio de tradução.

Pare quando a região de coleta coincidir com a posição da armadilha óptica. Em seguida, mova a extremidade da fibra da fonte de luz para o detector. Neste esquema, esses elementos representam a configuração necessária para a espectroscopia de correlação de fótons.

Para a configuração de espectroscopia de campo escuro, coloque o espectrômetro no lugar. Direcione a luz para o espectrômetro com o espelho no caminho do feixe refletido. Neste caso, o espelho está localizado com o corpo do microscópio Use um filtro de entalhe antes do espelho para remover a luz laser de retenção.

Ajuste os espelhos de guia para que as pinças ópticas coincidam com a fenda do espectrômetro. Comece preparando as partículas para o experimento. Diluir as partículas em água desionizada até uma concentração adequada.

Sonicar a solução diluída durante dois minutos para quebrar os agregados e criar uma dispersão uniforme. Em seguida, prepare a célula de amostra. Use uma lâmina de microscópio e uma lamínula.

Sonicá-los por cinco minutos cada em acetona, seguido de isopropanol. Quando terminar, crie uma fita espaçadora de 100 micrômetros de profundidade bem na lâmina de vidro. Disperse dois microlitros da solução de nanopartículas diluída dentro do poço.

Deposite também dois micro litros na lamínula. Coloque as duas partes da célula juntas. Não deve haver bolhas de ar dentro da câmara.

Mova a célula para o estágio de microscópio. Coloque um índice de gota de óleo de imersão correspondente ao topo da amostra. Coloque outra gota no condensador.

Inicie o experimento com o laser de captura bloqueado. Localizou uma partícula adequada por meio de observação no sistema de imagem de campo escuro. Desbloqueie o laser e manipule a platina e o foco para empurrar a partícula para frente em direção à interface do vidro de água.

Para medições de dinâmica rotacional, colete a oscilação de intensidade com o fotodetector de silício. Para medições espectroscópicas, comece com o substrato de grânulos de poliestireno densamente dispersos e uniformemente espalhados. Registre o espectro de luz branca da resposta de dispersão do substrato.

Em seguida, substitua a amostra de esferas no microscópio pela amostra de nanopartículas. Registre um espectro de fundo com luz difusa do ponto de aprisionamento. Em seguida, bloqueie toda a luz do detector, registre um espectro escuro sob esta condição.

Remova o bloco do feixe, finalmente prenda uma nanopartícula e registre o espectro bruto associado a ela. Estas são flutuações de intensidade da luz laser espalhada de volta de uma nano haste presa e rotativa. A partir desses dados não tratados, é difícil extrair informações em qualquer escala de tempo.

No entanto, quando os dados de intensidade são correlacionados automaticamente, eles mostram oscilações relacionadas à frequência de rotação da nano haste. O decaimento oscilatório após alguns períodos é devido ao movimento browniano rotacional. A linha vermelha é um ajuste para a função teórica de autocorrelação da qual se pode extrair informações detalhadas sobre o movimento rotativo.

Aqui, a intensidade bruta espalhada de uma nano haste presa está em azul escuro. É distorcido pela presença de um filtro de entalhe. Para isolar o espectro de dispersão da nano haste, calibre os dados brutos com o espectro de fundo, em vermelho, e um espectro de excitação de luz branca em laranja.

Este é o espectro de espalhamento corrigido. O espectro mostra duas ressonâncias plasmônicas de superfície localizadas distintas, como esperado. Neste gráfico, os pontos azuis são o espectro de dispersão de uma nano haste presa com a região do espectro distorcido desconsiderada.

A curva vermelha é o ajuste da função do modelo bi-Lorentziano. Os componentes de ajuste são em azul claro e laranja. Uma vez que a configuração é construída e a técnica dominada, o experimento de aprisionamento óptico e rotação pode ser feito em poucas horas, se for executado corretamente.

Ao tentar este procedimento, é importante lembrar de usar nano hastes apropriadas que dominam a ressonância no lado azul do comprimento de onda do laser, ele também deve ter picos de ressonância claramente separados, mas ser fisicamente grande o suficiente para ser preso de forma estável. Pinças ópticas para experimentos de rotação de nano hastes podem ser construídas usando uma variedade de diferentes comprimentos de onda de laser, objetivas de microscópio e microscópios com apenas pequenas alterações. Além disso, a instrumentação para medições brownianas translacionais pode ser facilmente adicionada para coleta de dados complementares.

Esta plataforma de rotação de nanopartículas provou ser útil como medidor de osciloscópio de viscosidade e temperatura local, para rastrear mudanças morfológicas de nano hastes e revestimentos moleculares e como transdutor e sonda de processos fototérmicos e termodinâmicos. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como realizar experimentos de pinça óptica em nano-hastes metálicas. Como girá-los usando luz polarizada circularmente e como extrair informações por meio de espectroscopia de correlação de fótons e espectroscopia de campo escuro.

Não se esqueça de que trabalhar com lasers pode ser extremamente perigoso para os olhos e precauções como usar óculos de segurança a laser e filtros a laser adequados e procedimentos de manuseio devem sempre ser tomados durante a execução deste procedimento.