ホログラフィックイメージングを用いた自然光構造の隠れたダイナミクスの解明
Summary
この論文は、主にナノスケールでの現象を明らかにするために使用される光学的(線形および非線形)とホログラフィック方法の複合力に焦点を当てています。バイオフォトニックおよび振動化学反応の研究から得られた結果を代表例として挙げ、ナノスケールでダイナミクスを明らかにするホログラフィーの能力を強調しています。
Abstract
この方法では、ナノスケールでの自然系の動的応答の隠された詳細を明らかにする光学およびホログラフィーの可能性を利用する。第1部では、天然フォトニック構造の光学的およびホログラフィック研究、ならびに光泳動効果の出現条件、すなわち、光誘起熱勾配によるナノ構造の変位または変形をナノスケールで提示する。この効果は、温度によって誘発される昆虫の羽を覆う鱗屑の変形を監視するリアルタイムのデジタルホログラフィック干渉法によって明らかにされる。光泳動効果の出現につながる幾何学とナノ波形の関係が実験的に実証され、確認されています。第2部では、複雑な振動ブリッグス・ラウシャー(BR)反応で起こる相転移現象など、非線形ダイナミクスを持つ化学系の隠れた詳細を明らかにするために、ホログラフィーをどのように潜在的に使用できるかが示されています。ナノスケールでのホログラフィーの提示された可能性は、大気中の未燃炭化水素の移動および異なるエアロゾルの分離、マイクロプラスチックの分解および粒子一般の分画、ならびにミクロンサイズの燃料粒子の温度および熱伝導率の評価を含む、粒子の捕捉および浮上などの様々な用途のための光泳動効果およびパターン形成を制御および成形するための巨大な可能性を開く可能性がある。
Introduction
ナノ世界のユニークな現象をすべて完全に理解し、気づくためには、ナノスケールで構造やダイナミクスに関するすべての詳細を明らかにすることができる技術を採用することが重要です。このため、線形法と非線形法のユニークな組み合わせと、ナノスケールでのシステムのダイナミクスを明らかにするホログラフィーの力が提示されます。
説明されたホログラフィック技術は、所定の時点で信号が写真カメラ、サーマルカメラ、および干渉計によって同時に記録されるため、トリプルレック法(recは記録の略語)と見なすことができる。線形および非線形光学分光法およびホログラフィーは周知の技術であり、その基本原理は文献1、2に広く記載されている。
長い話を短くするために、ホログラフィック干渉計は、システムのダイナミクスを特徴付けるために、時間の異なる瞬間に記録された波面の比較を可能にします。以前は振動ダイナミクス3,4を測定するために使用されていました。最も単純な干渉測定法としてのホログラフィーの力は、システム内の最小変位を検出する能力に基づいています。まず、ホログラフィーを用いて、異なる生体構造における光泳動効果5(すなわち、光誘起熱勾配によるナノ構造の変形の変位)を観察し、明らかにした。本方法の真の提示のために、代表的な試料を、多数の試験済み生物試料6から選択した。スペイン女王フリチラリー蝶の翼、イッソリア・ラトニア(リンネ、1758年;I. lathonia)、を本研究の枠組みにおいて使用した。
生体組織におけるナノスケールでの光泳動の発生を首尾よく実証した後、同様のプロトコールを適用して、振動化学反応における相転移によって引き起こされる自発的対称性破壊プロセス7をモニターした。この部分では、化学的に非線形BR反応で起こる低濃度のヨウ化物およびヨウ素(状態Iと呼ばれる)から高濃度のヨウ化物およびヨウ素への相転移(状態IIと定義)が研究された8,9。ここでは、このような凝縮系で起こるナノスケールでの相転移や自発対称性破壊ダイナミクスを研究できるホログラフィックアプローチを初めて報告しました。
Protocol
Representative Results
Discussion
提示されたバイオフォトニック研究では、低レベルの熱放射によって引き起こされる最小限の形態学的変位または変形を検出するために、新しいホログラフィック法が使用できることが示されている。
生体試料を用いたホログラフィック測定において最も重要なステップは、調製ステップです。サンプルの調製(ホルダーのサイズに合わせて切断/接着する)は、サンプル?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M. S. P., D. G., D. V., および B. K. は、NATO SPS (NATO Science for Peace and Security) 2019-2022 が資金提供するマルチスペクトル監視のための生物学的および生物的に触発された構造への支持を認める。B. K., D. V., B. B., D. G., および M. S. P. は、セルビア共和国の教育科学技術開発省による制度的資金提供を通じて、ベオグラード物理学研究所から提供された資金を認める。さらに、B. K. は F R S – FNRS からのサポートを認めています。M. P. セルビア共和国教育科学技術開発省 (契約番号 451-03-9/2021-14/200026) からの支援を認めます。S. R. M.は、ポスドク研究員として、ワロン地域のBEWARE Fellowship(Convention n°2110034)の支援を受けました。T. V.はヘラクレス財団からの財政的支援を認めています。D.V.、M.S.P.、D.G.、M.P.、B.B.、およびB.K.は、研究助成金N62902-22-1-2024を通じて海軍研究グローバル局の支援を認めています。この研究は、ベオグラード大学機械工学部のマリーナ・シモヴィッチ・パブロヴィッチの博士号の要件を部分的に満たすために実施されました。
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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