Свет вместо миксера

Физики из России и Чехии разработали метод перемешивания жидкости в микроскопических объёмах с помощью света.

Мы все умеем перемешивать вещества в стакане или другой ёмкости, используя ложку или миксер. Однако чтобы создавать новые эффективные лекарства и биочипы, проводить некоторые биологическое опыты и даже быструю диагностику заболеваний, исследователям нужно подчас перемешивать жидкости в настолько маленьких емкостях, что туда не получится опустить инструмент для помешивания, даже самую тонкую иглу.

Сегодня биологи, химики, фармацевты все чаще используют так называемые микрореакторы, которые также называют лабораториями на чипе. Крошечные контейнеры, пронизанные внутри канавками, имеют размер от нескольких кубических миллиметров до нескольких кубических сантиметров – не больше спичечного коробка. Эти небольшие устройства и позволяют делать экспресс-анализы крови, смешивать микроскопические дозы веществ для получения высокоэффективных лекарств, проводить опыты на клетках.

При этом необходимо точно и гибко управлять потоками жидкости и контролировать скорость перемешивания (диффузии) молекул в микрореакторах. В частности, управление потоками жидкости в микропроцессорных каналах играет важную роль в решении различных задач, начиная от транспортировки крошечных количеств опасных или дорогостоящих веществ и технологии ДНК-биочипов до аналитической и синтетической химии в чрезвычайно малых объёмах. Этим занимается быстро развивающаяся область науки и техники, получившая название микрофлюидика. Она объединила, казалось бы, не связанные между собой направления, такие как электротехника и машиностроение, биология, химия и оптика. 

Однако при работе с микрореакторами существует одна сложность: исследователи практически не могут влиять на скорость перемешивания или, выражаясь научным языком, диффузии жидкостей и реагентов, которые попадают в такую лабораторию на чипе. Российские и чешские физики предложили решить эту проблему с помощью давления света, которое они решили использовать перемешивания жидкостей. Об этом они рассказали в журнале Advanced Science.

Еще в XVII веке Иоганн Кеплер, объясняя поведение хвостов комет около Солнца, высказал идею, что свет может оказывать давление на физические объекты. В 1873 году британский физик Джеймс Максвелл разработал классическую теорию этого явления, а в 1899 году русский физик Петр Николаевич Лебедев обнаружил его экспериментально. Однако сила этого давления крайне мала, и в те времена ей применения не нашлось. Сейчас же этим направлением занимается целая отрасль физики – оптомеханика (за развитие которой в 2018 году была присуждена Нобелевская премия профессору Артуру Ашкину). С помощью света захватывают живые клетки, двигают мельчайшие частицы вещества и, как оказалось, эти же силы можно использовать, чтобы перемешивать жидкости.

Используя последние достижения, оптомеханики исследователи из Санкт-Петербурга разработали наноантенну, представляющую из себя крошечный кубик кремния размером около двухсот нанометров. Это невидимое глазу устройство способно управлять световой волной, которая на нее попадает, превращая свет круговой поляризации в «оптический вихрь», заставляющий частицы жидкости двигаться вокруг кубика. Что важно, размер получающихся нановихрей на порядок меньше, чем у традиционных подходов на основе пучков частиц.

Помимо наноантенн авторы работы предложили запустить в жидкость ещё и некоторое количество наночастиц золота. Захваченные «оптическим вихрем», эти частицы начинают крутиться вокруг кубика кремния, выступая в качестве той самой «ложечки» для перемешивания реактивов. Причем размер области перемешивания настолько мал, что можно усилить диффузию в сто раз в одном конце микрореактора, практически не влияя на то, что происходит в другом. Выбор в качестве «ложечки» частиц золота определяется химической инертностью этого элемента, благодаря чему он плохо вступает в реакции, к тому же он не токсичен.

Очень важно, что исследователям удалось добиться того, что на наночастицы воздействуют только спиновые силы и радиационное давление со стороны света, но не притяжение к наноантенне, иначе частицы просто прилипли бы к ней. Этого удалось добиться для частиц золота определенного размера, если на антенну светит обычный зеленый лазер. Исследователи рассматривали и другие металлы, но они по тем или иным причинам их не удовлетворили. Например, для серебра этот эффект наблюдается лишь в ультрафиолетовом диапазоне, что менее удобно для использования.

Кроме того, из-за сложной зависимости действующих сил от размера частиц разработанный метод можно использовать для сортировки – разделения частиц по размерам.

В работе принимали участие специалисты Университета ИТМО, Института нанотехнологий в микроэлектронике РАН, Электротехнического университета (ЛЭТИ), компании LLC COMSOL и Академии наук Чехии.