Descobrindo dinâmicas ocultas de estruturas fotônicas naturais usando imagens holográficas
Summary
O papel é focado principalmente no poder combinado de métodos ópticos (lineares e não lineares) e holográficos usados para revelar fenômenos na nanoescala. Os resultados obtidos a partir dos estudos de reações químicas biofotônicas e oscilatórias são dados como exemplos representativos, destacando a capacidade da holografia de revelar dinâmicas em uma nanoescala.
Abstract
Neste método, o potencial da óptica e da holografia para descobrir detalhes ocultos da resposta dinâmica de um sistema natural na nanoescala é explorado. Na primeira parte, são apresentados os estudos ópticos e holográficos de estruturas fotônicas naturais, bem como condições para o aparecimento do efeito fotoforético, ou seja, o deslocamento ou deformação de uma nanoestrutura devido a um gradiente térmico induzido pela luz, na nanoescala. Esse efeito é revelado pela interferometria holográfica digital em tempo real monitorando a deformação das escamas que cobrem as asas dos insetos induzidos pela temperatura. A ligação entre geometria e nanocorrugação que leva ao surgimento do efeito fotoforético é experimentalmente demonstrada e confirmada. Na segunda parte, é mostrado como a holografia pode ser potencialmente usada para descobrir detalhes ocultos no sistema químico com dinâmica não linear, como o fenômeno de transição de fase que ocorre em complexa reação oscilativa de Briggs-Rauscher (BR). O potencial apresentado de holografia na nanoescala poderia abrir enormes possibilidades de controle e moldagem do efeito fotoforético e formação de padrões para várias aplicações, como captura de partículas e levitação, incluindo o movimento de hidrocarbonetos não queimados na atmosfera e separação de diferentes aerossóis, decomposição de microplásticos e fracionamento de partículas em geral, e avaliação da temperatura e condutividade térmica de partículas de combustível de tamanho micron.
Introduction
Para entender e notar todos os fenômenos únicos no nanomundo, é crucial empregar técnicas capazes de revelar todos os detalhes sobre estruturas e dinâmicas na nanoescala. Por conta disso, são apresentadas a combinação única de métodos lineares e não lineares, combinada com o poder da holografia para revelar a dinâmica do sistema na nanoescala.
A técnica holográfica descrita pode ser vista como o método de recuo triplo (rec é a abreviação para gravação), uma vez que em um dado momento o sinal é gravado simultaneamente por uma câmera fotográfica, uma câmera térmica e um interferômetro. Espectroscopia óptica linear e não linear e holografia são técnicas bem conhecidas, dos quais os princípios fundamentais são amplamente descritos na literatura 1,2.
Para encurtar a história, a interferometria holográfica permite a comparação de frentes de onda registradas em diferentes momentos do tempo para caracterizar a dinâmica do sistema. Foi usado anteriormente para medir a dinâmica vibracional 3,4. O poder da holografia como o método de interferometria mais simples baseia-se em sua capacidade de detectar o menor deslocamento dentro do sistema. Primeiro, exploramos a holografia para observar e revelar o efeito fotoforético5 (ou seja, o deslocamento da deformação de uma nanoestrutura devido a um gradiente térmico induzido pela luz), em diferentes estruturas biológicas. Para uma apresentação verdadeira do método, foram selecionadas amostras representativas a partir de uma série de amostras biológicas testadas6. Asas da Rainha da Espanha borboleta fritililária, Issoria lathonia (Linnaeus, 1758; I. lathonia), foram utilizados no âmbito deste estudo.
Depois de ter demonstrado com sucesso a ocorrência de fotoforese na nanoescala em tecidos biológicos, um protocolo semelhante foi aplicado para monitorar o processo de quebra da simetria espontânea7 causado por uma transição de fase em uma reação química oscilatória. Nesta parte, foi estudada a transição de fase de baixa concentração de iodeto e iodo (denominado estado I) para uma alta concentração de iodeto e iodo com formação de iodo sólido (definida como estado II) que ocorre em uma reação quimicamente não linear da BRfoi estudada 8,9. Aqui, relatamos pela primeira vez uma abordagem holográfica que permite estudar tal transição de fase e dinâmica de quebra de simetria espontânea na nanoescala que ocorre em sistemas condensados.
Protocol
Representative Results
Discussion
No estudo biofotônico apresentado, mostra-se que um novo método holográfico pode ser usado para detectar deslocamento morfológico mínimo ou deformação causada por radiação térmica de baixo nível.
O passo mais crítico na medição holográfica com amostras biológicas é a etapa de preparação. A preparação da amostra (corte/colagem para corresponder ao tamanho do suporte) depende das propriedades mecânicas da amostra, e não é possível ter um protocolo padrão para esta etapa…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M. S. P., D. G., D. V., e B. K. reconhecem o apoio às estruturas biológicas e bioinspiradas para vigilância multiespectral, financiadas pela OTAN SPS (OTAN Science for Peace and Security) 2019-2022. B. K., D. V., B.B., D. G., e M. S. P. reconhecem o financiamento fornecido pelo Instituto de Física de Belgrado, através do financiamento institucional do Ministério da Educação, Ciência e Desenvolvimento Tecnológico da República da Sérvia. Além disso, B. K. reconhece o suporte de F R S – FNRS. M. P. reconhece apoio do Ministério da Educação, Ciência e Desenvolvimento Tecnológico da República da Sérvia, Contrato nº 451-03-9/2021-14/200026. S. R. M. foi apoiado por uma Bolsa BEWARE da Região valão (Convenção n°2110034), como pesquisador de pós-doutorado. T.V. reconhece o apoio financeiro da Fundação Hércules. D.V., M.S.P., D.G., M.P., B.B., e B.K. reconhecem o apoio do Escritório de Pesquisa Naval Global através do Research Grant N62902-22-1-2024. Este estudo foi realizado em cumprimento parcial dos requisitos para o doutorado de Marina Simović Pavlović na Universidade de Belgrado, Faculdade de Engenharia Mecânica.
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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