Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
П.Н.Лебедев. Выдающийся русский физик-экспериментатор, первым подтвердивший на опыте вывод Максвелла о наличии светового давления, создатель первой в России научной физической школы, профессор Московского университета (1900—1911)
Рисунок 1.1 - Крутильные весы в опыте П.Н.Лебедева
Рисунок 1.2- Крутильные весы в опыте П.Н.Лебедева
Рисунок 2 - Знаменитая схема захвата частицы оптическим пинцетом
Рисунок 3 - Описывая явление взаимодействия лазерного излучения с микро- и нанообъектами, необходимо обращать внимание на то, как соотносятся размеры объекта с длиной волны излучения
Рисунок 4 - Силы, действующие на частицу в лазерном луче
Рисунок 5 - К определению результирующей силы
Рисунок 6 - Пространственное распределение интенсивности излучения в гауссовом пучке.
Рисунок 7 - Захват частицы в градиентной оптической ловушке, использующей один лазерный пучок с большой апертурой
Рисунок 8 - Схематическое изображение. Оптическим пинцетом может осуществляться захват нанопроволок. Для манипулирования ими в трех направлениях необходим акустооптический дефлектор.
Рисунок 9 - Акустооптический дефлектор. Принцип действия акустооптического дефлектора основан на явлении рассеяния лазерного излучения на дифракционной решетке акустических колебаний. Дифракционная решетка акустических колебаний возбуждается в кристалле АОД путем приложения напряжения соответствующей частоты

Оптическое манипулирование микро- и наночастицами

Ключевые слова:  лазер, наночастица, оптический пинцет, периодика

Автор(ы): Клюев Павел Геннадиевич

Опубликовал(а):  Клюев Павел Геннадиевич

06 апреля 2011

Русский ученый П.Н.Лебедев провел измерение давления света в 1899 году с помощью крутильных весов, помещенных в вакуум (см.рис.1). П.Н.Лебедеву удалось выделить действие давления света на фоне конвекционных потоков остаточного газа. В опытах, проведенных Артуром Эшкиным в 1970-х годах использовались лазеры. В 1987 году А.Эшкин продемонстрировал "оптический пинцет" - способ удержания частицы в заданной области при помощи лазерного излучения (рис.2). Свои опыты он проводил с маленькими пластмассовыми частицами (шариками из латекса), находящимися в воде. В чем состоят физические основы работы этого прибора и в чем особенности захвата частиц на наноуровне? В общем случае при взаимодействии света с веществом (отражение, преломление или поглощение света), свет передает часть своего импульса телу (что эквивалентно оказываемому давлению, появлению сил, действующих на вещество со стороны падающего излучения). Описывая явление взаимодействия лазерного излучения с микро- и нанообъектами, необходимо обращать внимание на то, как соотносятся размеры объекта с длиной волны излучения (рис.3). Рассмотрим режим Ми-рассеяния, когда длина волны излучения меньше размеров частицы и можно использовать приближение геометрической оптики. В основе работы оптической ловушки лежит закон сохранения импульса. На частицу, которая находится в пучке лазера, действуют радиальные силы светового давления. Откуда берутся эти силы? Рассмотрим два луча, падающие на частицу симметрично относительно ее горизонтальной оси. Показатель преломления частицы выше, чем у окружающей среды, поэтому преломленные лучи отклоняются ближе к ее оси, изменяя направление своего распространения. По закону сохранения импульса должна возникнуть сила, компенсирующая это отклонение луча (оно эквивалентно передаче импульса частице или давлению света), что проиллюстрировано на рис.4,5. Из векторной диаграммы видно, что результирующая сила будет направлена к оси пучка . Поскольку интенсивность лазерного излучения в профиле пучка не одинакова, а обычно имеет гауссовское распределение (рис.6), то и силы, действующие на частицу, будут разными по величине. Если показатель преломления частицы выше показателя преломления среды, результирующая сила будет направлена в сторону оси пучка и частица будет затягиваться в эту область. В свою очередь, результирующую силу можно чисто математически разложить на две составляющие - градиентную (направлена вдоль градиента интенсивности света в пучке) и рассеивающую (направлена вдоль среднего направления переноса энергии в пучке). Если показатель преломления частицы будет меньше показателя преломления среды, градиентная сила будет направлена от оси пучка и частица будет выталкиваться из него. В оптических пинцетах используют лазеры с большой апертурой (больше единицы). Тогда градиентная и рассеивающая силы компенсируют друг друга и частица оказывается уравновешенной в точке чуть ниже перетяжки лазерного пучка (см.рис.7). Если размер частицы меньше длины волны электромагнитного излучения (Релеевское рассеяние), ее можно рассматривать как точечный диполь в электромагнитном поле (ЭМП). Помещенная в ЭМП лазера частица приобретает индуцированный дипольный момент (аналогично тому как это делает атом или молекула, попав в неоднородное ЭМП). Известно, что интенсивность света на оси пучка выше, чем на периферии. Под действием градиента электромагнитного поля частица затягивается в область фокуса лазерного пучка, где интенсивность поля (или квадрат напряженности) максимальна, что соответствует нормальному или гауссовскому распределению). Это можно показать теоретически, выписав уравнение для силы Лоренца, связь напряженности ЭП и индукции МП в бегущей электромагнитной волне и закон Фарадея. В результате получим, что сила, действующая на частицу, зависит от поляризуемости частицы и направлена в сторону увеличения напряженности поля.
(1)
Результирующую силу, действующую на частицу при Релеевском рассеянии, можно также разложить на две составляющие: градиентную и рассеивающую. Рассеивающая сила возникает в результате поглощения и переизлучения света электрическим диполем. Она пропорциональна интенсивности лазерного пучка и совпадает по направлению с потоком энергии в нем. Градиентная сила возникает в результате взаимодействия индуцированного дипольного момента с неоднородным полем световой волны. Градиентная сила прямо пропорциональна градиенту интенсивности. Ее направление зависит от отношения показателей преломления частицы и среды. Взаимосвязь между диэлектрической проницаемостью частицы и поляризуемостью ее атомов или молекул хорошо известна и описывается формулой Клаузиуса-Моссотти (для оптического диапазона она переходит в формулу Лоренц-Лоренца, в которой учитываются только смещения электронов из положения равновесия):
(2)
Очевидно, что для диэлектрических частиц, ввиду малости величины диэлектрической проницаемости, эта сила меньше, чем для частиц металлических. Что касается размеров частицы. Чем меньше частица, тем меньше атомов вносят свой вклад в индуцированный дипольный момент. Тем меньше ее поляризуемость, а значит, и меньше сила, которая действует на частицу. То есть для меньших частиц с большой диэлектрической проницаемостью необходимы сильные поля, чтобы удержать эти частицы в ловушке лазерного пинцета. Мощность лазера, необходимая для пленения диэлектрических частиц, возрастает с уменьшением их размера [1]. Интересен захват объектов несферической формы, например, пленение нанопроволок GaN (см.рис.8) [1]. При захвате нанопроволок их ось ориентируется по оси лазерного пучка. Используя акустооптический дефлектор (acousto-optic deflector, AOD, рис.9), можно управлять движением нанопроволоки в трех направлениях [2].

Раньше считалось, что управлять металлическими наночастицами с помощью лазерного пинцета невозможно из-за высокого коэффициента отражения. В 1992 году К.Свобода и С.Блок провели эксперимент [3], показывающий, что 40 нм золотые наночастицы можно захватить оптическим пинцетом с длиной волны излучения, не совпадающей с длиной волны поверхностного плазмонного резонанса. По сравнению с диэлектрическими частицами такого же размера, золотые поляризуются сильнее (обусловлено высокой величиной диэлектрической проницаемости), а значит для их удержания оптическим пинцетом требуются более сильные поля. Для того чтобы снизить мощность лазерных источников для удержания металлических наночастиц, можно попробовать изменить иммерсионную жидкость, в которой находятся частицы. С увеличением показателя преломления иммерсионной жидкости жесткость ловушки возрастет, это значит, что можно будет использовать менее мощные лазеры, но при этом удерживать частицу пинцетом с той же силой. Следует отметить, что в полях лазеров непрерывного действия использование сильно поглощающих металлических частиц приводит к значительным тепловым эффектам. Рассмотрим эффекты, которые наблюдаются при захвате металлических наночастиц вблизи поверхностного плазмонного резонанса.

При взаимодействии электромагнитного излучения с металлическими наночастицами электроны проводимости согласованно смещаются относительно положительно заряженных ионов решетки. Флуктуации плотности заряда создают электрическое поле, стремящееся восстановить электронейтральность. Величина возвращающей силы пропорциональна величине смещения, так же как и для типичного осциллятора, поэтому можно говорить о наличии собственной частоты коллективных колебаний электронов в частице. Если частота колебаний падающего света совпадает с собственной частотой колебаний свободных электронов вблизи поверхности металлической частицы, наблюдается резкое увеличение амплитуды колебания «электронной плазмы», квантовым аналогом которой является плазмон. Это явление получило название поверхностный плазмонный резонанс (ППР).
Условием возникновения плазмонного резонанса является обращение в нуль действительной части знаменателя поляризуемости металлической наночастицы. Если частота лазера точно настроена на частоту ППР, произойдет резкое увеличение частоты поверхностной моды частицы, таким образом резонансно увеличивая силу воздействия внешнего поля на частицу. На частоте плазмонного резонанса металлическая частица выталкивается из области фокуса. Это объясняется преобладанием одной из двух сил - отрицательной градиентной силы или силы рассеяния. Мода может испытывать изменение фазы колебаний на 1800, таким образом мгновенно меняя направление действия силы. Уменьшая частоту лазера, можно добиться затягивания металлической наночастицы в область фокуса или ее выталкивания.

Список ссылок

[1] Optical manipulation of nanoparticles: a review

J. Nanophoton. 2, 021875 (Sep 10, 2008); doi:10.1117/1.2992045

[2] A. van der Horst, A. Campbell, L. van Vugt, D. Vanmaekelbergh, M. Dogterom,
and A. van Blaaderen, “Manipulating metal-oxide nanowires using counterpropagating
optical line tweezers,” Opt. Express 15(18), 11629–11639 (2007)
[doi:10.1364/OE.15.011629].

[3] K. Svoboda and S. Block, “Optical trapping of metallic Rayleigh particles,” Opt. Lett.
19(13), 930–932 (1994).


В статье использованы материалы: Optical manipulation of nanoparticles: a review


Средний балл: 10.0 (голосов 1)

 


Комментарии
Все смешалось в доме ... и частицы и волны.
Палии Наталия Алексеевна, 07 апреля 2011 13:40 
Да, смешалось
+1

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Серебряная обманка
Серебряная обманка

MAPPIC 2019. Второй день
15 октября 2019 года прошел второй день I Московской осенней международной конференции по перовскитной фотовольтаике (Moscow Autumn Perovskite Photovoltaics International Conference – MAPPIC-2019). В сообщении приведены темы докладов и небольшой фоторепортаж.

MAPPIC 2019. Первый день
14 октября 2019 года успешно открылась I Московская осенняя международная конференция по перовскитной фотовольтаике (Moscow Autumn Perovskite Photovoltaics International Conference – MAPPIC-2019). В сообщении приведены темы докладов и небольшой фоторепортаж.

В Москве начинается MAPPIC - 2019
14-15 октября 2019 года состоится I Московская осенняя международная конференция по перовскитной фотовольтаике (Moscow Autumn Perovskite Photovoltaics International Conference – MAPPIC-2019)

Лекция про Дмитрия Ивановича и Наномир на Фестивале науки
Е.А.Гудилин и др., Фестиваль науки
В дни Фестиваля науки «NAUKA 0+» на Химическом факультете МГУ ведущие ученые познакомили слушателей с самыми современными достижениями химии. Ниже приводится небольшой фоторепортаж 1 дня и расписание лекций.

Как правильно заряжать аккумулятор?
Д. М. Иткис
Химик Даниил Иткис о том, как правильно заряжать аккумуляторы гаджетов и почему телефон выключается на холоде

Постлитийионные аккумуляторы
В. А. Кривченко
Физик Виктор Кривченко о перспективных видах аккумуляторов, фундаментальных проблемах в производстве литий-серных источников тока и преимуществах постлитийионных аккумуляторов

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.