Verborgen dynamiek van natuurlijke fotonische structuren blootleggen met behulp van holografische beeldvorming
Summary
Het artikel is voornamelijk gericht op de gecombineerde kracht van optische (lineaire en niet-lineaire) en holografische methoden die worden gebruikt om verschijnselen op nanoschaal te onthullen. De resultaten verkregen uit de biofotonische en oscillerende chemische reacties ‘ studies worden gegeven als representatieve voorbeelden, die het vermogen van holografie benadrukken om dynamiek op nanoschaal te onthullen.
Abstract
In deze methode wordt het potentieel van optica en holografie benut om verborgen details van de dynamische respons van een natuurlijk systeem op nanoschaal te ontdekken. In het eerste deel worden de optische en holografische studies van natuurlijke fotonische structuren gepresenteerd, evenals voorwaarden voor het verschijnen van het fotoforetische effect, namelijk de verplaatsing of vervorming van een nanostructuur als gevolg van een door licht geïnduceerde thermische gradiënt, op nanoschaal. Dit effect wordt onthuld door real-time digitale holografische interferometrie die de vervorming van schalen bewaakt die de vleugels van insecten bedekken, geïnduceerd door temperatuur. Het verband tussen geometrie en nanocorrugatie dat leidt tot het ontstaan van het fotoforetische effect wordt experimenteel aangetoond en bevestigd. In het tweede deel wordt getoond hoe holografie mogelijk kan worden gebruikt om verborgen details in het chemische systeem met niet-lineaire dynamica bloot te leggen, zoals het faseovergangsfenomeen dat optreedt bij complexe oscillerende Briggs-Rauscher (BR) -reactie. Het gepresenteerde potentieel van holografie op nanoschaal zou enorme mogelijkheden kunnen openen voor het beheersen en vormen van het fotoforetische effect en patroonvorming voor verschillende toepassingen, zoals deeltjesvangst en levitatie, inclusief de beweging van onverbrande koolwaterstoffen in de atmosfeer en scheiding van verschillende aerosolen, afbraak van microplastics en fractionering van deeltjes in het algemeen, en beoordeling van temperatuur en thermische geleidbaarheid van brandstofdeeltjes van micronformaat.
Introduction
Om alle unieke verschijnselen in de nanowereld volledig te begrijpen en op te merken, is het cruciaal om technieken te gebruiken die in staat zijn om alle details met betrekking tot structuren en dynamiek op nanoschaal te onthullen. Op deze manier wordt de unieke combinatie van lineaire en niet-lineaire methoden gepresenteerd, gecombineerd met de kracht van holografie om de dynamiek van het systeem op nanoschaal te onthullen.
De beschreven holografische techniek kan worden gezien als de triple rec-methode (rec is de afkorting voor opname), omdat op een gegeven moment het signaal tegelijkertijd wordt opgenomen door een fotocamera, een thermische camera en een interferometer. Lineaire en niet-lineaire optische spectroscopie en holografie zijn bekende technieken, waarvan de fundamentele principes uitgebreid worden beschreven in de literatuur 1,2.
Om een lang verhaal kort te maken, holografische interferometrie maakt het mogelijk om golffronten die op verschillende momenten in de tijd zijn opgenomen te vergelijken om de dynamiek van het systeem te karakteriseren. Het werd eerder gebruikt om trillingsdynamiek 3,4 te meten. De kracht van holografie als de eenvoudigste interferometriemethode is gebaseerd op het vermogen om de kleinste verplaatsing binnen het systeem te detecteren. Ten eerste hebben we holografie gebruikt om het fotoforetische effect5 (d.w.z. de verplaatsing van vervorming van een nanostructuur als gevolg van een door licht geïnduceerde thermische gradiënt) in verschillende biologische structuren te observeren en te onthullen. Voor een getrouwe weergave van de methode werden representatieve monsters geselecteerd uit een aantal geteste biologische specimens6. Vleugels van de koningin van Spanje fritillaire vlinder, Issoria lathonia (Linnaeus, 1758; I. lathonia), werden gebruikt in het kader van deze studie.
Na met succes het optreden van fotoforese op nanoschaal in biologische weefsels te hebben aangetoond, werd een soortgelijk protocol toegepast om het spontane symmetriebreukproces7 te monitoren dat wordt veroorzaakt door een faseovergang in een oscillerende chemische reactie. In dit deel werd de faseovergang bestudeerd van een lage concentratie jodide en jodium (toestand I genoemd) naar een hoge concentratie jodide en jodium met vaste jodiumvorming (gedefinieerd als toestand II) die optreedt in een chemisch niet-lineaire BR-reactie 8,9. Hier rapporteerden we voor het eerst een holografische benadering die het mogelijk maakt om een dergelijke faseovergang en spontane symmetriebrekende dynamiek op nanoschaal te bestuderen die optreedt in gecondenseerde systemen.
Protocol
Representative Results
Discussion
In de gepresenteerde biofotonische studie wordt aangetoond dat een nieuwe holografische methode kan worden gebruikt om minimale morfologische verplaatsing of vervorming veroorzaakt door thermische straling op laag niveau te detecteren.
De meest kritische stap in holografische meting met biologische monsters is de voorbereidingsstap. De voorbereiding van het monster (snijden/lijmen om overeen te komen met de grootte van de houder) hangt af van de mechanische eigenschappen van het monster en het…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M. S. P., D. G., D. V. en B. K. erkennen de steun voor de biologische en bio-geïnspireerde structuren voor multispectrale surveillance, gefinancierd door NATO SPS (NATO Science for Peace and Security) 2019-2022. B. K., D. V., B. B., D. G. en M. S. P. erkennen de financiering die wordt verstrekt door het Instituut voor Natuurkunde Belgrado, via de institutionele financiering door het Ministerie van Onderwijs, Wetenschap en Technologische Ontwikkeling van het Servische Vasteland. Daarnaast erkent B.K. de steun van F R S – FNRS. M. P. erkent de steun van het ministerie van Onderwijs, Wetenschap en Technologische Ontwikkeling van de Republiek Servië, contractnummer 451-03-9/2021-14/200026. S.R.M. werd als postdoctoraal onderzoeker ondersteund door een BEWARE Fellowship van het Waals Gewest (Convention n°2110034). T. V. erkent de financiële steun van de Herculesstichting. D.V., M.S.P., D.G., M.P., B.B. en B.K. erkennen de steun van het Office of Naval Research Global via de Research Grant N62902-22-1-2024. Deze studie werd uitgevoerd in gedeeltelijke vervulling van de vereisten voor de PhD-graad van Marina Simović Pavlović aan de Universiteit van Belgrado, Faculteit Werktuigbouwkunde.
Materials
| 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 | 640×512 pixel; Thermal resolution 50 mK |
| Video camera | Nikon | 1v3 | 18.4 Mpixel; 60 fps |
References
- Pietrzyk, D. J., Frank, C. W. Development of an analytical method. Analytical Chemistry. , 10-19 (1979).
- Ostrovsky, Y. I., Shchepinov, V. P., Yakovlev, V. V. . Holographic Interferometry in Experimental Mechanics. 60, (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. &. #. 3. 8. 1. ;., Vasiljević, D. M. S. i. n. g. l. e. -. b. e. a. m. 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. , (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. &. #. 2. 7. 2. ;., 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. &. #. 3. 8. 1. ;. 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. , (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. Self-organization in nonequilibrium systems. Dissipative Structures to Order through Fluctuations. , 339-426 (1977).
- 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. , (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).
