Summary
המאמר מתמקד בעיקר בהספק המשולב של שיטות אופטיות (ליניאריות ולא ליניאריות) והולוגרפיות המשמשות לחשיפת תופעות בקנה מידה ננומטרי. התוצאות המתקבלות ממחקרי התגובות הכימיות הביופוטוניות והתנודדות ניתנות כדוגמאות מייצגות, המדגישות את יכולתה של ההולוגרפיה לחשוף דינמיקה בקנה מידה ננומטרי.
Abstract
בשיטה זו, הפוטנציאל של אופטיקה והולוגרפיה לחשוף פרטים נסתרים של התגובה הדינמית של מערכת טבעית בקנה מידה ננומטרי מנוצל. בחלק הראשון מוצגים המחקרים האופטיים וההולוגרפיים של מבנים פוטוניים טבעיים, כמו גם תנאים להופעת האפקט הפוטופורטי, כלומר, תזוזה או עיוות של ננו-מבנה עקב שיפוע תרמי המושרה על ידי אור, בקנה מידה ננומטרי. השפעה זו מתגלה על ידי אינטרפרומטריה הולוגרפית דיגיטלית בזמן אמת המנטרת את העיוות של קשקשים המכסים את כנפי החרקים המושרים על ידי הטמפרטורה. הקשר בין גיאומטריה לננו-קורוגציה שמוביל להופעת האפקט הפוטופורטי מודגם ואושר בניסוי. בחלק השני, נראה כיצד ניתן להשתמש בהולוגרפיה כדי לחשוף פרטים נסתרים במערכת הכימית עם דינמיקה לא ליניארית, כגון תופעת מעבר הפאזה המתרחשת בתגובת בריגס-ראושר (BR) מתנודדת מורכבת. הפוטנציאל המוצג של הולוגרפיה בקנה מידה ננומטרי יכול לפתוח אפשרויות עצומות לשליטה ועיצוב של האפקט הפוטופורטי ויצירת תבניות עבור יישומים שונים כגון לכידת חלקיקים וריחוף, כולל תנועה של פחמימנים לא שרופים באטמוספרה והפרדת אירוסולים שונים, פירוק מיקרופלסטיק ופירוק חלקיקים באופן כללי, והערכת טמפרטורה ומוליכות תרמית של חלקיקים בגודל מיקרון.
Introduction
כדי להבין ולהבחין באופן מלא בכל התופעות הייחודיות בננו-עולם, חיוני להשתמש בטכניקות המסוגלות לחשוף את כל הפרטים הנוגעים למבנים ודינמיקה בקנה מידה ננומטרי. על פי חשבון זה, מוצג השילוב הייחודי של שיטות ליניאריות ולא ליניאריות, בשילוב עם כוחה של ההולוגרפיה כדי לחשוף את הדינמיקה של המערכת בקנה מידה ננומטרי.
ניתן לראות את הטכניקה ההולוגרפית המתוארת כשיטת השחזור המשולש (rec הוא הקיצור להקלטה), שכן בזמן נתון האות נרשם בו זמנית על ידי מצלמת צילום, מצלמה תרמית ואינטרפרומטר. ספקטרוסקופיה אופטית ליניארית ולא ליניארית והולוגרפיה הן טכניקות ידועות, שעקרונות היסוד שלהן מתוארים בהרחבה בספרות 1,2.
כדי לקצר סיפור ארוך, אינטרפרומטריה הולוגרפית מאפשרת השוואה של חזיתות גל שנרשמו ברגעים שונים בזמן כדי לאפיין את הדינמיקה של המערכת. הוא שימש בעבר למדידת דינמיקה של רטט 3,4. כוחה של ההולוגרפיה כשיטת האינטרפרומטריה הפשוטה ביותר מבוסס על יכולתה לזהות את התזוזה הקטנה ביותר בתוך המערכת. ראשית, ניצלנו את ההולוגרפיה כדי לצפות ולחשוף את האפקט הפוטופורטי5 (כלומר, תזוזה של דפורמציה של ננו-מבנה עקב שיפוע תרמי הנגרם על ידי אור), במבנים ביולוגיים שונים. להצגה אמיתית של השיטה, נבחרו דגימות מייצגות ממספר דגימות ביולוגיות שנבדקו6. כנפיה של מלכת ספרד פרפר פריטילרי, איסוריה לאתוניה (לינאוס, 1758; I. lathonia), שימשו במסגרת מחקר זה.
לאחר שהדגים בהצלחה את התרחשותה של פוטופורזה בקנה מידה ננומטרי ברקמות ביולוגיות, יושם פרוטוקול דומה כדי לעקוב אחר תהליך שבירת הסימטריה הספונטנית7 הנגרם על ידי מעבר פאזה בתגובה כימית מתנדתית. בחלק זה, המעבר הפאזתי מריכוז נמוך של יודיד ויוד (הנקרא מצב I) לריכוז גבוה של יודיד ויוד עם היווצרות יוד מוצק (המוגדר כמצב II) המתרחש בתגובת BR לא ליניארית מבחינה כימית נחקר 8,9. כאן דיווחנו לראשונה על גישה הולוגרפית המאפשרת לחקור מעבר פאזה כזה ודינמיקה של שבירת סימטריה ספונטנית בקנה מידה ננומטרי המתרחש במערכות מעובות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. אפיון מראש
- בצע אפיון מקדים מלא של המדגם.
- בצע את כל הניסויים על דגימות יבשות שנרכשו ממקור מסחרי. אחסנו את הדגימות במעבדה, במקום יבש וחשוך, בטמפרטורת החדר.
- לפני מדידות הולוגרפיות, בצע אפיון דגימה מלא על ידי סריקת מיקרוסקופ אלקטרוני (SEM), ספקטרוסקופיה אופטית ליניארית ומיקרוסקופיה אופטית לא ליניארית (NOM)10 (איור 1).
- בנוסף לתכונות האופטיות של דגימות הנמדדות על ידי טכניקות ליניאריות, אסוף מידע משלים עם קרני לייזר בעוצמה גבוהה יותר המאפשרות אפיון של התכונות האופטיות הלא ליניאריות שלהן.
- השתמש ברגישות האופטית הלא ליניארית המתאימה כדי לכמת את התגובה האופטית הלא ליניארית וליצור את הבסיס לטכניקות אופטיות לא ליניאריות כגון פלואורסצנציה של עירור מולטי-פוטון לא-ליניארי ויצירת הרמוניה שנייה (SHG), המשמשות לאפיון דגימות ביולוגיות שונות.
- עבור התופעות הכימיות הלא ליניאריות המתרחשות בתגובת BR המתנדנדת, בצע את המחקר של ניטור אינטרפרומטרי של מעבר הפאזה in situ ממצב I למצב II עם הריכוזים הבאים של מגיבים: [CH2(COOH)2]0 = 0.0789 mol dm-3, [MnSO4]0 = 0.0075 mol dm-3, [HClO4]0 = 0.03 mol dm-3, [קיו3] 0 = 0.0752 מול dm-3, ו- [H2O2]0 = 1.269 מול dm-3 (0 לאחר הסוגר מייצג את הריכוז ההתחלתי בתחילת התהליך). הפוך את הנפח הכולל המשמש לתגובת BR לשווה ל- 2.5 מ"ל.
הערה: ערכי הריכוז המשמשים כאן שווים לאלה שבמחקר של Pagnacco et al.8, אך עם נפח התגובה חלקי 10.
- הכינו את הדגימה לניסוי.
- השתמש בכנפיים של פרפר פריטילרי של מלכת ספרד, I. lathonia, לניסוי זה. מניחים את הכנף על משטח קשה ויוצרים קטע עם חותך בקוטר 10 מ"מ. מקם את הדגימה בתיבת הדגימה, שיכולה להיות כל מיכל עם מכסה.
איור 1: חתך גלי של סולם כנף פרפר. החתך נרשם במיקרוסקופ סריקה אופטית לא ליניארית (A,B). כמו כן נעשתה תצפית SEM (C) של כנף של פרפר פריטילרי של מלכת ספרד, I. lathonia. נתון זה שונהמ-14. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
2. מערך ניסיוני
- הגדרה הולוגרפית
הערה: מדידות האינטרפרומטריה ההולוגרפיות בוצעו באמצעות מערך אופטי מותאם אישית (איור 2).- התאם את טמפרטורת המעבדה להיות 23 ° C ± 0 .2 ° C . הפעל את הלייזר. השתמש בלייזר (פרטים המופיעים בטבלת החומרים) עם אורך גל עירור של 532 ננומטר עבור תצפיות הולוגרפיות אלה.
- בדוק את היישור של הרכיבים האופטיים (איור 2). ראשית, בדקו שההגדרה מתבצעת לפי התוכנית באיור 2.
- יישר את קרן הלייזר בצורה מושלמת עם המראה הקעורה M. בדוק והתאם את המיקום של מרחיב הקרן האופטית (L).
- קבע את חלק הקרן שפוגע בדגימה S וודא שהוא יוצר קרן רפלקס O. בדוק אם שאר הקרן נאספת על סמ"מ מראה כדורית, כדי לשמש ליצירת קרן הייחוס R. בדוק אם הגלאי C ממוקם בתוך אזור ההפרעה של שתי האלומות שצוינו.
הערה: חיישן מוליך למחצה משלים של תחמוצת מתכת (CMOS) משמש כגלאי. - הגדר את המצלמות בהתאם להוראות המצלמה בה נעשה שימוש. הגדר מצלמה אופטית/מצולמת לניסוי ההולוגרפי כפי שמוצג באיור 2 (C היא המצלמה; פרטים ניתנים בטבלת החומרים). הגדר מצלמה אופטית/צילומית שנייה כדי לראות שינויים נראים לעין בתגובת BR ומצלמה תרמית עם רזולוציה תרמית של 50 mK ואורך מוקד של 13 מ"מ מעל הטבלה האופטית.
הערה: המצלמה ששימשה בניסוי ההולוגרפי אינה משתמשת בעדשה אובייקטיבית; האור פוגע ישירות בשבב.
- הכן את הדגימה להגדרה הולוגרפית.
- הכן את דוגמת הכנף כמו בשלב 1.2.1. מניחים את הדגימה המוכנה על תמיכת מתכת עגולה בקוטר של 15 מ"מ. לתמיכה יש שלושה חורים קיימים עבור הברגים שאליהם מחוברת טבעת המתכת המחזיקה את הדגימה.
- חבר את הטבעת לתמיכה. מקם את הדגימה המצורפת בחלק של תושבת הדגימה הממוקם על השולחן האופטי.
- הכן את הדגימה לניטור תגובות כימיות. על השולחן האופטי, במקום המיועד, הניחו תמיכה עם משטח דבק שטוח שעליו יוצב הקובטה/כלי השיט.
- הכן את המגיב המשמש לאתחל את התגובה כמו בשלב 1.1.5. מלאו את המגיבים לתוך הקובט, וערבבו בקובטה בסדר הנפחים והריכוזים הבאים: 0.7 מ"ל של 0.2817 מול dm-3 CH2(COOH)2; 0.5 מ"ל של 0.0375 מול dm-3 MnSO4; 0.5 מ"ל של 0.15 מול dm-3 HClO4; 0.5 מ"ל של 0.376 מול dm-3 KIO3 ; ו-0.3 מ"ל של 10.575 מול dm-3 H2O2.
- ודא שהנפח הכולל ב- cuvette הוא 2.5 מ"ל, והצב אותו על התמיכה בהגדרה.
- הגדר מכשירים נוספים במידת הצורך. לניטור האפקט הפוטופורטי, השתמש בלייזר נוסף (פרטים המופיעים בטבלת החומרים) לחימום מקומי.
איור 2: ההגדרה ההולוגרפית. האיור מראה כיצד המרכיבים השונים מסודרים לניסוי ההולוגרפי. קיצורים: L1 = לייזר ב 532 ננומטר, L = עדשה biconvex, A = צמצם, M = מראה שטוחה המשמשת להסטת קרן הלייזר, CM = מראה קעורה, C = מצלמת CMOS, S = קטע כנף פרפר, R = קרן ייחוס, O = קרן אובייקט. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
3. הגדרת התוכנה בה נעשה שימוש
הערה: תוכנת C++ שנבנתה בבית בהתבסס על קירוב Fresnel11 משמשת לניתוח נתונים מניסויים הולוגרפיים. את התוכנה שפותחה עבור המחקר המוצג ניתן למצוא בכתובת . 12 לא ניתן לפרסם את פרטי התוכנה כרגע; עם זאת, מידע נוסף יימסר על פי בקשה. קירוב פרנל שימושי ביותר בהולוגרפיה דיגיטלית מכיוון שהוא מתמקד במשטחים שונים ומתקרב לאזור של סדר הדיפרקציה הראשון, המכיל מידע מלא על הסצנה המוקלטת.
- הפעל את המחשב והפעל את התוכנה.
הערה: השלב להפעלת התוכנה תלוי בתוכנה עצמה. אין תוכנה מסחרית למטרה זו.
4. בצע את הניסוי
- כבו את האורות החיצוניים. בצע את כל הניסוי בחדר חשוך.
- סנכרן את המצלמות באמצעות מרווח שנבחר. עבור ניסוי זה, הפעל את המצלמה ההולוגרפית לאחר 60 שניות, ואת שתי המצלמות האחרות מיד אחריה, באמצעות תוכנה או ידנית.
- לחץ על לחצני ההקלטה והגדר בתוכנה מתי ההקלטה מתחילה.
- לגרום לשינויים דינמיים במערכת העניין. שיטת הייזום תלויה בסוג המדגם; במקרה של אפקט פוטופורטי, לחמם את הדגימה חיצונית באמצעות הלייזרים הזמינים: 450 ננומטר, 532 ננומטר, 660 ננומטר, 980 ננומטר. במקרה של תגובת BR, התחל את התגובה על ידי ערבוב המגיבים הכימיים. שימו לב לניסוי ההולוגרפי.
- הגדר את המצלמה הצילומית והתרמית לעקוב אחר הניסוי כולו ולקבוע את רגע סוף ההקלטה ההולוגרפית מהמדידות האופטיות והתרמיות.
- לבטא את סוף התהליך. סוף ההקלטה מתוכנת מראש, על פי משך הזמן המשוער של התהליך. עבור תגובת BR, השתמש בהתמצקות כסוף התגובה. במקרה של האפקט הפוטופורטי, אין רגע ספציפי כזה. בכל מקרה, שלב זה מדגיש את החשיבות של הקלטה משולשת.
5. רכישת תוצאות12
- שמור את התוצאות. מיון מדויק של הקבצים כפונקציה של זמן לשחזור הולוגרמות וניתוח נתונים מעמיק יותר.
הערה: בשלב זה, הנתונים מועברים מהמצלמה המשמשת להולוגרפיה למחשב (דיסק קשיח) בתיקיות הקרויות על שם תאריכי הצילום. השתמש בלחצני העתקה/הדבקה ושינוי שם. - בדוק את הולוגרמה של הבדיקה עבור הגדרות מתאימות. בדרך זו, ההגדרות הטובות ביותר נבחרות על ההולוגרמה הראשונה על ידי התבוננות בה, ולאחר מכן משמשות לשחזור כל ההולוגרמות.
- בחר הולוגרמה אחת על-ידי לחיצה על אחת מהן מהתיקיה שיצרת בעבר (שלב 5.1) ובצע שחזור על-ידי לחיצה על הלחצן 'שחזר' .
- שנה את ההגדרות כדי להשיג את התמונה הטובה ביותר ובצע את השחזור שוב. אפשרויות להתאמת פרמטרים כגון דגימה, היסט ומרחק פרנל יופיעו על המסך (תפריט תוכנה). חזור על שלבים אלה עד להגדרת ההגדרות הטובות ביותר.
- בצע את השחזורים. בחר את כל ההולוגרמות על-ידי לחיצה על לחצן פתח קובץ ובחירת כל הקבצים. החל את הפרמטרים הרצויים לשחזור מספרי של הולוגרמות; הם נשארים ללא שינוי לאחר שלב 5.2.1, ולכן אינם מבצעים כל פעולה הפעם.
- בצע את השחזורים באמצעות לחצן 'שחזור' , ואת האינטרפרוגרמות על-ידי הוספת שמות הקבצים בשדה 'התחל עם' או 'סיום' ולאחר מכן על-ידי לחיצה על הכפתור Batch. האינטרפרוגרמות מופיעות בתיקיה שנוצרה בעבר (בשלב 5.1).
הערה: לאחר רישום סדרה של הולוגרמות בזמן, ההולוגרמה הראשונה מייצגת מצב לא מופרך, בעוד שפעולתו של כוח חיצוני גורמת להולוגרמות הבאות. יש צורך לשחזר את ההולוגרמות באמצעות התמרת פרנל13. - קבל את האינטרפרוגרמות על ידי חיסור (במונחים של מספרים מרוכבים) של הולוגרמה מסוימת בזמן עם ההולוגרמה הראשונה שהתקבלה.
הערה: פרוטוקול זה מאפשר התבוננות בהשפעת הכוח על האובייקט. השינוי בתבנית ההפרעה כפונקציה של הזמן הוא תוצאה של דפורמציה או תזוזה המתרחשת בתוך המערכת במהלך המדידה. שינויים אלה משמשים לניטור הדינמיקה של המערכת בקנה מידה ננומטרי.
6. ניתוח התוצאות
- בצע ניתוח חזותי כשלב בקרת האיכות הראשון של התהליך. בשלב זה, חפש שינויים גלויים בתבנית ההפרעה ונסה להתאים את השינויים בתבנית ההפרעה לתוצאות המתקבלות על ידי מדידות אופטיות ותרמיות.
- בצע חקירה נגדית של כל ההקלטות. בשלב השני של הניתוח, נתחו ביסודיות את התמונות באופן חזותי הן מהמצלמה האופטית והן מהמצלמה התרמית עם השחזורים ההולוגרפיים על מנת לחשוף דינמיקה בקנה מידה ננומטרי. בדרך זו, רגע התגובה נראה בו זמנית בתמונות הולוגרפיות, תרמיות וצילומיות.
- צור ייצוג גרפי של תוצאות המבוסס על ניתוח נומרי/תוכנה והצג אותן בצורה של גרפים (1D, 2D או 3D), תרשימים, היסטוגרמות וכו '. לאחר ניתוח מלא של התוצאות, הסיקו מסקנות וצפו מחקר נוסף המבוסס על כך.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
אפקט פוטופורטי הושר ועוקב בניסוי ראשון על כנף של פרפר מורפו מנלאוס 5. ההשפעה החלה על ידי פעולה של לייזרי LED באורכי גל שונים (450 ננומטר, 532 ננומטר, 660 ננומטר ו-980 ננומטר). כאן נעשה שימוש בכנפיים מפרפר I. lathonia 14 . לאחר הליך ההקלטה שוחזרה תמונת ההולוגרמה.
איור 3: א. שחזורים הולוגרפיים של כנפי לאתוניה . השחזור נעשה בייזום של 450 ננומטר (A), חניכה של 532 ננומטר (B) וייזום של 980 ננומטר (C). התמונות מראות הבדל ברור במובן החזותי, כאשר בהתאם לאורך הגל, האזור הצבעוני מופיע בגדלים שונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
השוליים שנצפו באיור 3A-C הם תוצאה של ההפרעה. נתון זה מראה בבירור כי שינויים מתרחשים רק במהלך הקרנה של הדגימה עם לייזר שני (ממוקם כדי לפגוע במדגם עם קרן שאינה מפריעה לקרן מהלייזר הראשי; הוכנס לפעולה בכל עת במהלך ההקלטה), ומאשר כי אינטרפרומטריה הולוגרפית יכולה לשמש לניטור העיוות או התזוזה של הרקמות הביולוגיות.
איור 3A-C מראה כיצד אורכי גל שונים בין 450 ננומטר (איור 3A), 532 ננומטר (איור 3B) ו-980 ננומטר (איור 3C) משפיעים על התבנית האינטרפרומטרית בכך שהם גורמים לתזוזות מורפולוגיות שונות בתוך הרקמות.
בניסוי השני בנוגע לתגובת BR המתנודדת, תגובה זו החלה מיד לאחר הוספת מי חמצן, והפיקה כמות גדולה של חמצן (איור 4A). מכיוון שהמעבר ממצב I למצב II (איור 4) הוא למעשה בלתי הפיך עבור ריצה קינטיתבודדת 8, קשה מאוד לנטר את רגע המעבר. לכן, התוצאות המוצגות הן תוצאה של מספר רב של ניסיונות. בניתוח של אינטרפרוגרמות, שינוי בתבנית השוליים הבחין בדיוק ברגע שבו התרחשה התגובה (כלומר, כאשר המעבר ממצב I למצב II התרחש). איור 4E מראה רגע לפני התרחשות התגובה (משמאל) ואת הרגע המדויק (מימין). אורך הגל המשמש כאן הוא 573 ננומטר. בעת חישוב נתוני התזוזה מתמונת המשרעת, נעשה שימוש בשיטת ספירת שוליים ישירה. שוליים אחדים מתאימים לתזוזה של מחצית מאורך הגל (כלומר, 286.5 ננומטר). אם נתוני התזוזה מחושבים מהפאזה, היחס הבא חל: Δl/λ = ΔΦ/2π.
איור 4: המעבר ממצב I למצב II בתגובת בריגס-ראושר (BR). ההקלטות השונות למעבר ממצב I למדינה II בתגובת בריגס-ראושר (BR). (A) תחילת תגובת ה-BR עם בועות מתאימה להיווצרות חמצן ופחמן דו-חמצני. (ב) מהלך התגובה של המדינה I כדי לציין II. (ג) סוף המעבר של מדינה I למדינה II. (D) קובט בהגדרה. (E) אינטרפרוגרמה של הרגע שלפני התגובה (משמאל) ורגע התגובה (מימין). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
תופעות כימיות לא ליניאריות ידועות כבר יותר מ -100 שנה15, אך למרות זאת, עדיין יש ספקות לגבי המנגנון המלא והדינמיקה שלהם16,17. התוצאות השיגו אפשרויות חדשות ופתוחות לחקירה וניטור של תופעות כימיות מורכבות כאלה באתרן על ידי טכניקה הולוגרפית.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
במחקר הביופוטוני המוצג, הוכח כי ניתן להשתמש בשיטה הולוגרפית חדשנית כדי לזהות תזוזה מורפולוגית מינימלית או עיוות הנגרם על ידי קרינה תרמית ברמה נמוכה.
השלב הקריטי ביותר במדידה הולוגרפית עם דגימות ביולוגיות הוא שלב ההכנה. הכנת הדגימה (חיתוך/הדבקה כך שתתאים לגודל המחזיק) תלויה בתכונות המכניות של המדגם, ולא ניתן לקבל פרוטוקול סטנדרטי לשלב זה.
לגבי מחקר ה-BR, חיוני שיהיה כלי תגובה שקוף ונתיב אופטי ברור יחסית, שכן כל מכשול במהלך תגובה כימית, או טרנספורמציה פיזיקלית (כמו שחרור חמצן, טומאה) ישפיעו על דפוס ההפרעה ולכן התוצאות שנרשמו.
באופן כללי, המגבלה המשמעותית ביותר של השיטה המתוארת היא גודל המדגם שניתן ללמוד. לדוגמה חייב להיות ממד מתאים להכנסתו לתוך ההתקנה האופטית.
כאן אנו מראים כי אינטרפרומטריה הולוגרפית (HI) צריכה להיחשב ככלי משלים חיוני לאפיון דגימות. לדוגמה, תמונה אופטית/IR קלאסית לוכדת מידע רק לגבי העוצמה, בעוד שהמידע על הפאזה הולך לאיבוד לחלוטין18. אינטרפרומטריה הולוגרפית מספקת את כל המידע לגבי העוצמה והפאזה, ובנוסף ניתן להשתמש בה כדי לעקוב אחר השינויים שלהם בזמן אמת.
החשיבות של ניצול שיטה זו במדע החומר המעובה היא לחשוף באתרו את השינויים הקלים ביותר בדינמיקה של המערכת. לדוגמה, תגובת BR יכולה לחשוף את הגורם הראשון לתהליך שבירת הסימטריה. האם תהליך שבירת הסימטריה נקבע מראש על ידי אילוצים פיזיקליים המחוברים לדינמיקה לא ליניארית, או שהתהליך הוא באמת אקראי? מצד שני, בדרך אחרת, האם ההבדלים הקטנים במשך תקופת התנודה של BR יכולים לגרום לסטייה משמעותית במראה המעבר?
התוצאות המוצגות הן הצעד הראשון שיוביל להבנה עמוקה יותר של הדינמיקה בקנה מידה ננומטרי. מכיוון שהפוטנציאל של ההולוגרפיה במחקר מדעי מעובה עדיין לא הוכר במלואו, מטרת מאמר זה היא להדגיש את כוחה של ההולוגרפיה למחקר ויישומים עתידיים של מדעי החומרים; לדוגמה, לכידת חלקיקים וריחוף כגון תנועה של פחמימנים לא שרופים באטמוספרה או הפרדה של אירוסולים שונים19, פירוק של מיקרופלסטיק במים ופירוק חלקיקים באופן כללי20, ואפיון תכונות הטמפרטורה והמוליכות התרמית של חלקיקי דלק בגודל מיקרון21.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים מצהירים על אי ניגוד עניינים.
Acknowledgments
M. S. P., D. G., D. V., ו- B. K. מכירים בתמיכה במבנים הביולוגיים והביו-אינסטיים בעלי ההשראה הביולוגית למעקב רב-ספקטרלי, במימון SPS של נאט"ו (מדע נאט"ו לשלום וביטחון) 2019-2022. B. K., D. V., B. B., D. G., ו- M. S. P. מכירים במימון הניתן על ידי המכון לפיזיקה בבלגרד, באמצעות מימון מוסדי על ידי משרד החינוך, המדע והפיתוח הטכנולוגי של הרפובליקה של סרביה. בנוסף, B. K. מכיר בתמיכה של F R S - FNRS. M. P. מכיר בתמיכה של משרד החינוך, המדע והפיתוח הטכנולוגי של הרפובליקה של סרביה, חוזה מספר 451-03-9/2021-14/200026. ס. ר. מ. נתמך על ידי מלגת BEWARE של אזור וולון (כנס מס' 2110034), כחוקר בתר-דוקטורט. T. V. מכיר בתמיכה כספית מקרן הרקולס. D.V., M.S.P., D.G., M.P., B.B., ו- B.K. מכירים בתמיכת המשרד למחקר ימי גלובלי באמצעות מענק המחקר N62902-22-1-2024. מחקר זה נערך במילוי חלקי של הדרישות לתואר דוקטור של מרינה סימוביץ 'פבלוביץ 'באוניברסיטת בלגרד, הפקולטה להנדסת מכונות.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Active Vibration Isolation, Four Optical Table Supports | Thorlabs | PTR502 | High Load Capacity: 2,500 kg, Height 600 mm |
| Cuvette | Standard glass cuvette | ||
| Holographic camera (optical camera for holography) | Cannon | EOS 50D | Sensor Size 22.3 x 14.9 mm; Pixel pitch 4.69 µm; Max. resolution 4752 x 3168; JPEG file format |
| Hydrogen peroxide, H2O2 | Merck (Darmstadt, Germany) | ||
| Laser | Laser Quantum | Torus 532 laser | Wavelength 532 nm; Power 390 mW; Coherence length 10 m |
| LED lasers | |||
| Malonic acid, C3H4O4 | Acr s Organics (Geel, Belgium) |
||
| Manganese sulphate, MnSO4 | Fluka (Buchs, Switzerlend) | ||
| Nonlinear optical microscope | IPB | ||
| Optical accessories | Thorlab | ||
| Optical spectroscope | |||
| Optical table | Thorlabs | TOP450II PTR52509 | dimensions 2000*1250*310 mm |
| Perchloric acid, HClO4 | Merck (Darmstadt, Germany) | ||
| Potassium iodate, KIO3 | Merck (Darmstadt, Germany) | ||
| Software | Home-build software made by one of the authors: Dusan Grujic. This software was conducted in partial fulfillment of the requirements for the PhD deegree of D.G. | ||
| Thermal camera | Flir | A65 | 640x512 pixel; Thermal resolution 50 mK |
| Video camera | Nikon | 1v3 | 18.4 Mpixel; 60 fps |
References
- Pietrzyk, D. J., Frank, C. W.
- Ostrovsky, Y. I., Shchepinov, V. P., Yakovlev, V. V. Holographic Interferometry in Experimental Mechanics. 60, Springer. (2013).
- Pedrini, G., Osten, W., Gusev, M. E. High-speed digital holographic interferometry for vibration measurement. Applied Optics. 45 (15), 3456-3462 (2006).
- Pantelić, D. V., Grujić, D. Ž, Vasiljević, D. M. S. ingle-beam dual-view digital holographic interferometry for biomechanical strain measurements of biological objects. Journal of Biomedical Optics. 19 (12), 127005 (2014).
- Grujić, D., et al. Infrared camera on butterfly's wing. Optics Express. 26 (11), 14143-14158 (2018).
- Mouchet, S. R., Deparis, O. Natural Photonics and Bioinspiration. , Artech House. (2021).
- Pagnacco, M. C., et al. Spontaneous symmetry breaking: the case of crazy clock and beyond. Symmetry. 14, 413 (2022).
- Pagnacco, M. C., Maksimovic, J. P., Potkonjak, N. I., Božić, B. Đ, Horvath, A. K. Transition from low to high iodide and iodine concentration states in the Briggs-Rauscher reaction: evidence on crazy clock behavior. The Journal of Physical Chemistry A. 122 (2), 482-491 (2018).
- Pagnacco, M. C., Maksimović, J. P., Janković, B. Ž Analysis of transition from low to high iodide and iodine state in the Briggs-Rauscher oscillatory reaction containing malonic acid using Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami (KJMA) theory. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysts. 123 (1), 61-80 (2018).
- Mouchet, S. R., et al. Unveiling the non-linear optical response of Trichtenotoma childreni longhorn bestle. Journal of Biophotonics. 12 (9), 201800470 (2019).
- Shimobaba, T., et al. Computational wave optics library for C++: CWO++ library. Computer Physics Communications. 183 (5), 1124-1138 (2012).
- Grujic, D. Application of digital holography for detection of infrared radiation on biophotonic structures. , Faculty of Physics, University of Belgrade. Ph. D. Thesis (2022).
- Muffoletto, R. P., Tyler, J. M., Tohline, J. E. Shifted Fresnel diffraction for computational holography. Optical Express. 15 (9), 5631-5640 (2007).
- Pavlović, D., et al. Naturally safe: Cellular noise for document security. Journal of Biophotonics. 12 (12), 201900218 (2019).
- Bray, W. C. A periodic reaction inhomogeneous solution and its relation to catalysis. Journal of the American Chemical Society. 43 (6), 1262-1267 (1921).
- Nicolis, G.
- Prigogine, I., Hiebert, E. N. From being to becoming: Time and complexity in the physical sciences. Physics Today. 35 (1), 69 (1982).
- Nikolova, L., Ramanujam, P. S. Polarization Holography. , Cambridge University Press. (2009).
- Haisch, C., Kykal, C., Niessner, R. Photophoretic velocimetry for the characterization of aerosols. Analytical Chemistry. 80 (5), 1546-1551 (2008).
- Kononenko, V. L., et al. Feasibility studies on photophoretic effects in field-flow fractionation of particles. Journal of Liquid Chromatography & Related Technologies. 20 (16-17), 2907-2929 (1997).
- Zhang, X., Bar-Ziv, E. A novel approach to determine thermal conductivity of micron-sized fuel particles. Combustion Science and Technology. 130 (1-6), 79-95 (1997).
