Выявление скрытой динамики естественных фотонных структур с помощью голографической визуализации
Summary
Работа в первую очередь ориентирована на комбинированную мощность оптических (линейных и нелинейных) и голографических методов, используемых для выявления явлений на наноуровне. Результаты, полученные в результате исследований биофотонных и колебательных химических реакций, приведены в качестве репрезентативных примеров, подчеркивающих способность голографии выявлять динамику на наноуровне.
Abstract
В этом методе используется потенциал оптики и голографии для раскрытия скрытых деталей динамического отклика естественной системы на наноуровне. В первой части представлены оптические и голографические исследования природных фотонных структур, а также условия появления фотофоретического эффекта, а именно смещения или деформации наноструктуры за счет светоиндуцированного теплового градиента, на наноуровне. Этот эффект выявляется с помощью цифровой голографической интерферометрии в режиме реального времени, контролирующей деформацию чешуек, покрывающих крылья насекомых, индуцированную температурой. Экспериментально продемонстрирована и подтверждена связь между геометрией и нанокорругированием, приводящая к возникновению фотофоретического эффекта. Во второй части показано, как голография может быть потенциально использована для раскрытия скрытых деталей в химической системе с нелинейной динамикой, таких как явление фазового перехода, которое происходит в сложной колебательной реакции Бриггса-Раушера (BR). Представленный потенциал голографии на наноуровне может открыть огромные возможности для контроля и формирования фотофоретического эффекта и формирования паттернов для различных применений, таких как улавливание и левитация частиц, включая движение несгоревших углеводородов в атмосфере и разделение различных аэрозолей, разложение микропластика и фракционирование частиц в целом, а также оценку температуры и теплопроводности частиц топлива микронного размера.
Introduction
Чтобы полностью понять и заметить все уникальные явления в наномире, крайне важно использовать методы, которые способны раскрыть все детали, касающиеся структур и динамики на наноуровне. На этом счету представлено уникальное сочетание линейных и нелинейных методов в сочетании с силой голографии для выявления динамики системы на наноуровне.
Описанную голографическую технику можно рассматривать как метод тройного воспроизведения (rec — аббревиатура для записи), так как в данный момент времени сигнал одновременно записывается фотокамерой, тепловизионной камерой и интерферометром. Линейная и нелинейная оптическая спектроскопия и голография являются хорошо известными методами, фундаментальные принципы которых подробно описаны в литературе 1,2.
Короче говоря, голографическая интерферометрия позволяет сравнивать волновые фронты, зарегистрированные в разные моменты времени, чтобы охарактеризовать динамику системы. Ранее он использовался для измерения вибрационной динамики 3,4. Сила голографии как простейшего метода интерферометрии основана на ее способности обнаруживать наименьшее смещение внутри системы. Во-первых, мы использовали голографию для наблюдения и выявления фотофоретического эффекта5 (т.е. смещения деформации наноструктуры из-за индуцированного светом теплового градиента) в различных биологических структурах. Для истинного представления метода репрезентативные образцы были отобраны из ряда проверенных биологических образцов6. Крылья королевы Испании фритиллярной бабочки, Issoria lathonia (Линней, 1758; I. lathonia), были использованы в рамках данного исследования.
После успешной демонстрации возникновения фотофореза на наноуровне в биологических тканях аналогичный протокол был применен для мониторинга спонтанного процесса нарушения симметрии7, вызванного фазовым переходом в колебательной химической реакции. В этой части изучен фазовый переход от низкой концентрации йодида и йода (называемый состоянием I) к высокой концентрации йодида и йода с образованием твердого йода (определяемый как состояние II), который происходит в химически нелинейной реакции БР 8,9. Здесь мы впервые сообщили о голографическом подходе, позволяющем изучать такой фазовый переход и динамику спонтанного нарушения симметрии на наноуровне, возникающую в конденсированных системах.
Protocol
Representative Results
Discussion
В представленном биофотонном исследовании показано, что новый голографический метод может быть использован для обнаружения минимального морфологического смещения или деформации, вызванной низкоуровневым тепловым излучением.
Наиболее важным этапом голографического …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M.S.P., D.G., D.V. и B.K. признают поддержку биологических и биоинспирированных структур для мультиспектрального наблюдения, финансируемых НАТО SPS (NATO Science for Peace and Security) 2019-2022. B.K., D.V., B.B., D.G. и M.S.P. признают финансирование, предоставленное Институтом физики Белграда через институциональное финансирование Министерства образования, науки и технологического развития Республики Сербия. Кроме того, Б.К. признает поддержку со стороны F R S – FNRS. М.. выражает поддержку со стороны Министерства образования, науки и технологического развития Республики Сербия, контракт No 451-03-9/2021-14/200026. С. Р. М. был поддержан стипендией BEWARE Валлонского региона (Конвенция No 2110034) в качестве постдокторанта. Т. В. признает финансовую поддержку со стороны Фонда Геркулеса. D.V., M.S.P., D.G., M.P., B.B. и B.K. признают поддержку Управления морских исследований Global через исследовательский грант N62902-22-1-2024. Данное исследование проводилось при частичном выполнении требований к докторской степени Марины Симович Павлович в Белградском университете, факультет машиностроения.
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).
