A volte gli scienziati hanno bisogno di controllare il processo di miscelazione dei liquidi in contenitori così piccoli che non sarà possibile abbassare nemmeno l'ago più sottile o persino i capelli lì. Nel frattempo, è molto importante controllare la velocità di diffusione delle molecole nei cosiddetti microreattori al fine di creare nuovi farmaci efficaci, condurre alcuni esperimenti biologici e persino diagnosticare rapidamente malattie. Scienziati dell'Università ITMO e i loro colleghi dell'Accademia delle scienze ceca hanno proposto di risolvere il problema utilizzando l'energia luminosa.
Oggi biologi, chimici, farmacisti utilizzano sempre più microreattori, detti anche laboratori su chip. I minuscoli contenitori, punteggiati di scanalature all'interno, variano in dimensioni da pochi millimetri cubi a pochi centimetri cubi, non più grandi di una scatola di fiammiferi. Tuttavia, questi piccoli dispositivi consentono di eseguire rapidi esami del sangue, mescolare dosi microscopiche di sostanze per ottenere farmaci altamente efficaci e condurre esperimenti sulle cellule.
Tuttavia, quando si lavora con i microreattori, c'è una difficoltà: gli scienziati praticamente non possono influenzare la velocità di miscelazione o, in termini scientifici, la diffusione di liquidi e reagenti che entrano in un simile laboratorio su un chip. Scienziati dell'Università ITMO, insieme a colleghi della Repubblica Ceca, hanno proposto una metodologia in grado di risolvere questo problema. Hanno deciso di utilizzare la cosiddetta leggera pressione per mescolare i liquidi.
Alla fine del XIX secolo, lo scienziato britannico James Maxwell avanzò l'idea che la luce possa esercitare pressioni sugli oggetti fisici. Presto lo scienziato russo Pyotr Lebedev lo dimostrò in pratica. Tuttavia, la forza di questa pressione è molto piccola e in quei giorni non veniva utilizzata. Ora, un intero ramo della fisica è impegnato in questo settore: l'ottomeccanica (per il cui sviluppo nel 2018 è stato ricevuto il premio Nobel dal professor Arthur Ashkin). Con l'aiuto della luce, catturano le cellule viventi, spostano le particelle più piccole di materia e, come si è scoperto, le stesse forze possono essere utilizzate per mescolare i liquidi. Il lavoro degli scienziati è pubblicato sulla rivista Advanced Science.
Sulla base degli ultimi progressi dell'ottomeccanica, gli scienziati di San Pietroburgo hanno sviluppato una nanoantenna, che è un minuscolo cubo di silicio di circa duecento nanometri. Questo dispositivo, invisibile agli occhi, è in grado di controllare l'onda luminosa che lo colpisce. "La nostra nanoantenna converte la luce polarizzata circolarmente in un vortice ottico", spiega Alexander Shalin, professore presso la Novy Phystech University di ITMO, "l'energia luminosa gli vortica intorno".
Oltre alle nanoantenne, gli scienziati hanno proposto di lanciare una certa quantità di nanoparticelle d'oro nel liquido. Le particelle catturate dal vortice ottico iniziano a ruotare attorno al cubo di silicio, fungendo così da vero e proprio "cucchiaio" per la miscelazione dei reagenti. Inoltre, la dimensione di questo sistema è così piccola che può aumentare la diffusione di un fattore 100 a un'estremità del microreattore, praticamente senza influenzare ciò che accade all'altra.
"L'oro è un materiale chimicamente inerte che non reagisce bene", afferma il coautore Adria Canos Valero, "ed è anche non tossico. Inoltre, dovevamo garantire che solo le forze di spin e la pressione di radiazione agissero sulle nanoparticelle, ma non l'attrazione per la nanoantenna, altrimenti le particelle si sarebbero semplicemente attaccate ad essa. Questo effetto si osserva per particelle d'oro di una certa dimensione se un normale laser verde brilla sul sistema. Abbiamo considerato altri metalli, ma, ad esempio, per l'argento, questi effetti si osservano solo nello spettro ultravioletto, che è meno conveniente ".
Materiale fornito da ITMO University Press Service
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Vasily Makarov
