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    Materia óptica reactiva:movimiento inducido por la luz

    Diagrama de la trampa óptica experimental descrita en el texto. La configuración contiene un modulador de luz espacial (SLM), condensador de campo oscuro (DF Cond.), espejo dicroico (DM) y placa de cuarto de onda (QWP). El láser de captura se refleja en el SLM, que se utiliza para dar forma a la viga. La iluminación de campo oscuro que se dispersa de las nanopartículas de Ag (plata) es recolectada por el objetivo del microscopio, filtrado espectralmente y capturado en una cámara de detección de matriz sCMOS (CMOS científico). b) Representa la máscara de fase utilizada para crear la trampa de anillo utilizada en los experimentos. c) Imagen de la trampa de anillo en el detector sCMOS. El punto gaussiano en el centro es el reflejo de orden cero del láser de captura del SLM. La mancha no afectó los experimentos ya que la trampa tenía un diámetro mayor (barra de escala 1 µm). Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0105-y

    La tercera ley de Newton dicta que las fuerzas entre las partículas que interactúan son iguales y opuestas para los sistemas cerrados. En un entorno de no equilibrio, la tercera ley puede ser desafiada, dando lugar a fuerzas "no recíprocas". Teóricamente esto se demostró cuando era diferente, las partículas atrapadas ópticamente fueron mediadas por un campo externo. En un estudio reciente, Yuval Yifat y sus colegas midieron las fuerzas netas no recíprocas al interactuar electrodinámicamente, dímeros asimétricos de nanopartículas y agregados de nanopartículas. En los experimentos, las estructuras de nanopartículas estaban confinadas a geometrías pseudo unidimensionales e iluminadas por ondas planas. El movimiento observado se debió a la conservación del momento total para partículas y campos con simetría especular rota (representada por un cambio de dirección del movimiento). Los resultados ahora se publican en Luz:ciencia y aplicaciones .

    La capacidad de convertir la energía de la luz en movimiento autodirigido con nanomotores o micromáquinas impulsados ​​por luz ya ha atraído un gran interés. Una variedad de métodos en óptica pueden producir movimiento de rotación o dar lugar a movimiento de traslación con materiales fotorreactivos. La promesa de diseñar nanomotores impulsados ​​por luz surgió de un trabajo teórico reciente, que predijo que partículas diferentes iluminadas por una onda plana electromagnética, experimentará una fuerza neta no recíproca.

    Se demostró con simulaciones que las fuerzas no recíprocas predichas varían muy poco con la separación entre partículas. Sin embargo, Hasta el momento no se han presentado pruebas experimentales sencillas sobre el fenómeno. Explorar los efectos ópticos reactivos puede abrir nuevas posibilidades de autoensamblaje, micromáquinas impulsadas por la luz para anunciar un nuevo campo en óptica y fotónica.

    Para llenar el vacío experimental, En el presente estudio, Yifat y col. demostraron auto-motilidad utilizando dímeros ópticamente unidos de nanopartículas metálicas (NP) desproporcionadas. Los hallazgos experimentales también fueron respaldados por simulaciones electrodinámicas cuantitativas. Aparte de los dímeros, los científicos generaron y midieron de manera similar el movimiento de conjuntos o conjuntos asimétricos de nanopartículas. Para realizar los experimentos, Yifat y col. utilizó una configuración de captura óptica estándar con un láser Ti:Sapphire que opera a una longitud de onda de 790 nm. Un bien enfocado, Un haz de luz de fase modulada espacialmente polarizado circularmente formaba una trampa de anillo óptico.

    Un diagrama esquemático del experimento:a) Ejemplo de trayectorias para un homodímero (negro) y un heterodímero (color) que se mueven en sentido antihorario (verde) y en sentido horario (azul). Distribución de velocidades angulares instantáneas (puntos grises) y las velocidades angulares medias de los homodímeros (b, negro) y heterodímeros (c, naranja) en función de la separación entre partículas. El tamaño del contenedor es de 300 nm. El valor medio de la velocidad angular se calculó ajustando una función gaussiana a la distribución instantánea de la velocidad. Las barras de error son los intervalos de confianza de 3σ para las medias ajustadas de la distribución. La velocidad positiva se define como el movimiento del heterodímero hacia el NP más grande. d) Los valores de desplazamiento cuadrático medio calculado (MSD) para los datos del homodímero que se muestran en (b) (negro), los datos del heterodímero que se muestran en (c) (naranja), y el subconjunto de los datos del heterodímero donde la separación entre partículas fue ≤1.2 μm (rojo). Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0105-y

    En el estudio, Se midió el movimiento de una mezcla atrapada de nanopartículas de plata (Ag) con un diámetro de 150 nm - 200 nm utilizando microscopía de campo oscuro a una alta velocidad de cuadro de 290 fps. Las partículas fueron rastreadas y su posición precisa utilizada para calcular la posición angular (θi) en el anillo. Los científicos llevaron a cabo imágenes y seguimiento de partículas utilizando la caja de herramientas de seguimiento de partículas en mosaico disponible a través del software Image J.

    Yifat y col. observó un "heterodímero" de partículas diferentes en el que el movimiento dirigido de pares que interactúan electrodinámicamente era hacia la partícula más grande. En cambio, cuando dos partículas del mismo tamaño, denominado "homodímero" se acercó mucho, no se observó movimiento dirigido. Los resultados estuvieron de acuerdo con las fuerzas calculadas utilizando la teoría de Mie generalizada (GMT). Los científicos no observaron rotación completa o libre en el experimento; el par manifestado y su efecto se investigarán más a fondo en trabajos futuros.

    Dinámica inducida por fuerzas “no recíprocas”. a) Ejemplos de trayectorias para un homodímero (negro) y un heterodímero (color) que se mueven en sentido antihorario (verde) y en sentido horario (azul). Distribución de velocidades angulares instantáneas (puntos grises) y las velocidades angulares medias de los homodímeros (b, negro) y heterodímeros (c, naranja) en función de la separación entre partículas. El tamaño del contenedor es de 300 nm. El valor medio de la velocidad angular se calculó ajustando una función gaussiana a la distribución instantánea de la velocidad. Las barras de error son los intervalos de confianza de 3σ para las medias ajustadas de la distribución. La velocidad positiva se define como el movimiento del heterodímero hacia el NP más grande. d) Los valores de desplazamiento cuadrático medio calculado (MSD) para los datos del homodímero que se muestran en (b) (negro), los datos del heterodímero que se muestran en (c) (naranja), y el subconjunto de los datos del heterodímero donde la separación entre partículas fue ≤1.2 μm (rojo). Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0105-y

    Después de eso, Yifat y col. fotografiado las trayectorias de tiempo representativas de θ C (el ángulo central del par) para los heterodímeros y homodímeros. En los heterodímeros, El movimiento del par se dirigía hacia la partícula más grande y, por lo tanto, podía moverse en sentido horario o antihorario, alrededor del anillo dependiendo de su orientación. Los científicos repitieron los experimentos y combinaron los resultados. En los datos combinados con diferentes orientaciones de heterodímeros, La velocidad positiva se definió como el vector de la muestra más pequeña hacia la partícula más grande.

    Por ejemplo, los heterodímeros exhibieron una velocidad angular media positiva a una separación de unión óptica de 600 ± 150 nm y una velocidad angular media negativa cuando la separación fue mayor a 900 ± 150 nm. A diferencia de, la velocidad angular media de un homodímero era cero para todas las separaciones. El cambio en la velocidad media y el movimiento del par de heterodímeros hacia el mayor, La partícula térmicamente más caliente se debió al campo electromagnético y no a la autotermoforesis inducida por calor (es decir, gradiente de temperatura local generado debido a la adsorción láser por las partículas recubiertas de metal).

    Video del heterodímero de plata (Ag) en una trampa de anillo:movimiento en sentido antihorario. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0105-y

    Los hallazgos coincidieron con publicaciones anteriores sobre la asimetría de la luz dispersada por objetos atrapados ópticamente. El movimiento simulado se dirigió de manera similar desde la partícula pequeña a la partícula más grande. Los científicos observaron un desequilibrio de dispersión angular dependiente de la separación (donde se dispersaba más luz en una dirección que en otra). La asimetría en la dispersión de campo lejano creó una fuerza en el dímero, poniéndolo en movimiento como se observa. Previamente se observó una dispersión asimétrica similar para la nanoantena plasmónica. Yifat y col. utilizó el mismo enfoque experimental para estudiar los dímeros de nanoestrellas de oro (Au) y grandes agregados asimétricos de nanopartículas de oro.

    Video de grupos de nanopartículas de oro (Au) en la trampa de anillo. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0105-y

    De este modo, Los científicos demostraron experimentalmente el movimiento impulsado por la luz de heterodímeros y dispersores asimétricos en trampas de anillos ópticos para cuantificar fuerzas netas no recíprocas en campos de ondas planos unidimensionales. Aunque los experimentos se limitaron a una trampa de anillo en este estudio, la estrategia es transferible a cualquier estructura de materia atrapada ópticamente que exhiba asimetría electromagnética. La captura óptica utilizada en el estudio ofreció soluciones al desafío experimental de generar movimiento dirigido a nanoescala. Fuerzas no recíprocas en el estudio crearon las partículas automotrices sin el uso de entornos químicos, combustibles químicos o estructuras complejas.

    La teoría electrodinámica y las simulaciones que se llevaron a cabo simultáneamente en el estudio también mostraron que las interacciones entre partículas causaban una dispersión asimétrica en los heterodímeros. Por tanto, el trabajo siguió fundamentalmente el teorema de Noether (la simetría de la acción de un sistema físico contiene una ley de conservación correspondiente). Respectivamente, Yuvat y col. Racionalizar que la automotilidad observada y las fuerzas no recíprocas cuantificadas se derivaron de la conservación del momento total de partículas y campos, para sistemas con simetría rota. Los científicos prevén el uso de estos conjuntos de nanopartículas asimétricas impulsadas por la luz como coloides activos con sistemas quimiotácticos artificiales, y como "nano nadadores" en pleno funcionamiento para la investigación en materia blanda condensada y biofísica.

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