Découvrir la dynamique cachée des structures photoniques naturelles à l’aide de l’imagerie holographique
Summary
L’article se concentre principalement sur la puissance combinée des méthodes optiques (linéaires et non linéaires) et holographiques utilisées pour révéler des phénomènes à l’échelle nanométrique. Les résultats obtenus à partir des études sur les réactions chimiques biophotoniques et oscillatoires sont donnés à titre d’exemples représentatifs, soulignant la capacité de l’holographie à révéler la dynamique à l’échelle nanométrique.
Abstract
Dans cette méthode, le potentiel de l’optique et de l’holographie pour découvrir les détails cachés de la réponse dynamique d’un système naturel à l’échelle nanométrique est exploité. Dans la première partie, les études optiques et holographiques des structures photoniques naturelles sont présentées ainsi que les conditions d’apparition de l’effet photophorétique, à savoir le déplacement ou la déformation d’une nanostructure due à un gradient thermique induit par la lumière, à l’échelle nanométrique. Cet effet est révélé par l’interférométrie holographique numérique en temps réel surveillant la déformation des écailles recouvrant les ailes des insectes induite par la température. Le lien entre la géométrie et la nanocordation qui conduit à l’émergence de l’effet photophorétique est démontré expérimentalement et confirmé. Dans la deuxième partie, il est montré comment l’holographie peut être potentiellement utilisée pour découvrir des détails cachés dans le système chimique avec une dynamique non linéaire, comme le phénomène de transition de phase qui se produit dans la réaction oscillatoire complexe de Briggs-Rauscher (BR). Le potentiel présenté de l’holographie à l’échelle nanométrique pourrait ouvrir d’énormes possibilités pour contrôler et mouler l’effet photophorétique et la formation de motifs pour diverses applications telles que le piégeage et la lévitation des particules, y compris le mouvement des hydrocarbures imbrûlés dans l’atmosphère et la séparation de différents aérosols, la décomposition des microplastiques et le fractionnement des particules en général, et l’évaluation de la température et de la conductivité thermique des particules de combustible de la taille d’un micron.
Introduction
Pour bien comprendre et remarquer tous les phénomènes uniques dans le nanomonde, il est crucial d’utiliser des techniques capables de révéler tous les détails concernant les structures et la dynamique à l’échelle nanométrique. Sur ce compte, la combinaison unique de méthodes linéaires et non linéaires, combinée à la puissance de l’holographie pour révéler la dynamique du système à l’échelle nanométrique sont présentées.
La technique holographique décrite peut être considérée comme la méthode triple rec (rec est l’abréviation de l’enregistrement), car à un moment donné, le signal est simultanément enregistré par une caméra photographique, une caméra thermique et un interféromètre. La spectroscopie optique linéaire et non linéaire et l’holographie sont des techniques bien connues, dont les principes fondamentaux sont largement décrits dans la littérature 1,2.
Pour faire court, l’interférométrie holographique permet de comparer les fronts d’onde enregistrés à différents moments dans le temps pour caractériser la dynamique du système. Il était auparavant utilisé pour mesurer la dynamique vibratoire 3,4. La puissance de l’holographie en tant que méthode d’interférométrie la plus simple est basée sur sa capacité à détecter le plus petit déplacement dans le système. Tout d’abord, nous avons exploité l’holographie pour observer et révéler l’effet photophorétique5 (c’est-à-dire le déplacement de la déformation d’une nanostructure due à un gradient thermique induit par la lumière), dans différentes structures biologiques. Pour une présentation fidèle de la méthode, des échantillons représentatifs ont été sélectionnés parmi un certain nombre d’échantillons biologiques testés6. Ailes du papillon fritillaire de la reine d’Espagne, Issoria lathonia (Linnaeus, 1758; I. lathonia), ont été utilisés dans le cadre de cette étude.
Après avoir démontré avec succès l’apparition de la photophorèse à l’échelle nanométrique dans les tissus biologiques, un protocole similaire a été appliqué pour surveiller le processus spontané de rupture de symétrie7 causé par une transition de phase dans une réaction chimique oscillatoire. Dans cette partie, la transition de phase d’une faible concentration d’iodure et d’iode (appelée état I) à une concentration élevée d’iodure et d’iode avec formation d’iode solide (définie comme l’état II) qui se produit dans une réaction BR chimiquement non linéaire a été étudiée 8,9. Ici, nous avons rapporté pour la première fois une approche holographique qui permet d’étudier une telle transition de phase et une dynamique spontanée de rupture de symétrie à l’échelle nanométrique se produisant dans des systèmes condensés.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans l’étude biophotonique présentée, il est montré qu’une nouvelle méthode holographique peut être utilisée pour détecter un déplacement morphologique minimal ou une déformation causée par un rayonnement thermique de faible niveau.
L’étape la plus critique de la mesure holographique avec des échantillons biologiques est l’étape de préparation. La préparation de l’échantillon (découpe/collage pour correspondre à la taille du support) dépend des propriétés mécan…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M. S. P., D. G., D. V. et B. K. reconnaissent leur soutien aux structures biologiques et bioinspirées pour la surveillance multispectrale, financées par le programme SPS de l’OTAN (OTAN Science pour la paix et la sécurité) 2019-2022. B. K., D. V., B. B., D. G. et M. S. P. reconnaissent le financement fourni par l’Institut de physique de Belgrade, par le biais du financement institutionnel du ministère de l’Éducation, des Sciences et du Développement technologique de la République de Serbie. De plus, B. K. reconnaît le soutien de F R S – FNRS. M. P. reconnaît le soutien du ministère de l’Éducation, de la Science et du Développement technologique de la République de Serbie, numéro de contrat 451-03-9/2021-14/200026. S. R. M. a été soutenu par une Bourse BEWARE de la Région Wallonne (Convention n°2110034), en tant que chercheur postdoctoral. T. V. reconnaît le soutien financier de la Fondation Hercules. D.V., M.S.P., D.G., M.P., B.B. et B.K. reconnaissent le soutien de l’Office of Naval Research Global par le biais de la subvention de recherche N62902-22-1-2024. Cette étude a été menée en respect partiel des exigences pour le doctorat de Marina Simović Pavlović à l’Université de Belgrade, Faculté de génie mécanique.
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
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