El ángulo de contacto de la gota de agua aumenta drásticamente las emisiones láser, de Qiao et al., doi 10.1117 / 1.AP.3.1.016003. Crédito:Qiao et al.
Diminutas fuerzas moleculares en la superficie de las gotas de agua pueden desempeñar un papel importante en las emisiones de salida del láser. Como la matriz más fundamental de la vida, el agua impulsa numerosas actividades biológicas esenciales, a través de interacciones con biomoléculas y organismos. El estudio de los efectos mecánicos de las interacciones relacionadas con el agua contribuye a la comprensión de los procesos bioquímicos. Según Yu-Cheng Chen, profesor de ingeniería electrónica en la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU), "A medida que el agua interactúa con una superficie, la hidrofobicidad en la biointerfaz determina principalmente el equilibrio mecánico del agua. La hidrofobicidad molecular en la interfaz puede servir como base para monitorear interacciones y dinámicas biomoleculares sutiles ".
Las gotas de agua se han utilizado para formar microláseres biológicos que explotan la capacidad intrínseca del agua para confinar la luz con una dispersión mínima. Los láseres de gotas se benefician de la oscilación del láser en una microcavidad, por lo que se pueden amplificar los cambios sutiles inducidos por el medio de ganancia o la cavidad, conduciendo a cambios drásticos en las características de emisión láser. Si bien los láseres de gotas se han convertido en plataformas de vanguardia en estudios bioquímicos / físicos y aplicaciones biomédicas, la interacción óptica entre los resonadores de gotas y una interfaz sigue siendo desconocida.
Como se informó en Fotónica avanzada , El equipo de NTU de Chen descubrió recientemente que cuando una gota de agua interactúa con una superficie para formar un ángulo de contacto, las fuerzas moleculares interfaciales determinan la geometría de un resonador de gotas. Los cambios mecánicos dramáticos en la interfaz juegan un papel importante en la oscilación óptica de los resonadores de gotas.
El grupo de Chen descubrió un mecanismo de oscilación de resonadores de gotas, en el que el láser resuena a lo largo de la interfaz gota-aire en el plano vertical. Chen señala que este modo de láser orientado verticalmente 'similar a un arco iris' o 'similar a un arco' se refleja hacia adelante y hacia atrás entre los dos extremos de la interfaz de la gota, formando una emisión láser única y extremadamente fuerte. El equipo de Chen notó que, a diferencia del modo de galería susurrante que se ve comúnmente (WGM), este mecanismo láser recién descubierto es mucho más sensible a las fuerzas moleculares interfaciales. Según Chen, "Las emisiones láser de este modo en forma de arco aumentan drásticamente con el incremento de la hidrofobicidad interfacial, así como el ángulo de contacto de la gota ".
(a) Esquema de un láser de gotas que aloja modos de arco (AL). Se deposita una capa molecular entre el espejo y la gota. La tensión interfacial gota-sólida, la tensión de la superficie sólida, y la tensión superficial de la gota determina comúnmente el ángulo de contacto. (b) Rutas de oscilación AL (arriba) y distribuciones de campo eléctrico simulado de modos AL (abajo) bajo diferentes ángulos de contacto. (c) Izquierda:perfiles de vista lateral de gotitas con diferentes ángulos de contacto. Derecha:imágenes ópticas de las gotas después del bombeo. Cajas amarillas, las regiones de emisión láser. (d) Espectros ópticos de resonadores de gotas con diferentes tensiones interfaciales. (e) Ángulos de contacto y salidas de láser integradas espectralmente en función de diferentes concentraciones biomoleculares de albúmina de suero bovino (BSA) en gotitas. Crédito:Qiao et al.
Buscando explicar este fenómeno modulador, El equipo de Chen también descubrió que el factor de calidad de los nuevos modos de láser aumentaba significativamente al aumentar el ángulo de contacto de las gotas. Y el número de trayectorias de oscilación de los modos láser en gotas aumentó drásticamente. "Juntos, estos dos factores determinan la mejora de las emisiones láser con la fuerza de las fuerzas moleculares interfaciales, "dice Chen.
Basado en su descubrimiento, El equipo de Chen exploró la posibilidad de emplear láseres de gotas para registrar cambios mecánicos en biointerfaces. Como se esperaba, encontraron que un pequeño cambio de fuerzas biomoleculares interfaciales, inducida por una concentración muy baja de biomoléculas, como péptidos o proteínas, puede ser registrado por las emisiones láser de gotas láser.
Según Chen, "Este trabajo demuestra un importante mecanismo de modulación en los resonadores de gotas y muestra el potencial de explotar los resonadores ópticos para amplificar los cambios de las fuerzas intermoleculares". Los conocimientos sobre los mecanismos láser abren nuevas perspectivas para el uso de microláseres para estudiar interacciones biomecánicas y la física de la interfaz. Dado que los láseres de gotas pueden proporcionar una nueva plataforma para estudiar las interacciones físicas intermoleculares en la interfaz, podrían ser particularmente útiles para examinar interacciones hidrofóbicas, que juegan un papel vital en numerosas dinámicas físicas y sistemas biológicos.
