07.13 让你意想不到用玻璃检测纳米粒子的存在

冲绳科学技术研究生院(OIST)的科学家已经开发出一种技术,实际上可以将光照在某些最小的颗粒上以检测它们的存在 - 它是由微小的玻璃气泡发展而来的。

让你意想不到用玻璃检测纳米粒子的存在

放大的玻璃Whispering Gallery Resonator照片。气泡非常小,小于人发的宽度。

该技术基于一种独特的物理现象,称为“窃窃私语画廊”,由物理学家罗瑞(Lord William Ray Strigh)于1878年描述,并以伦敦圣保罗大教堂圆顶内的声学效应命名。有可能清楚地听到对面的圆形画廊一侧的低语。这是由于声波沿着圆顶壁移动到另一侧。这种效果可以通过光线在微小的玻璃球体中再现,其宽度恰好等于一缕头发的宽度,称为Whispering Gallery Resonator(WGR)。

在将光照射到球体中时,它一次又一次地在内表面上反弹,形成光学转盘。沿着微小球体内表面反弹的光子最终可以长距离传播,有时长达100米。然而,每当光子从球体表面反射回来时,就会有少量光线逃逸。这种泄漏的光在球体周围形成一种光环,称为渐逝光场。

当纳米粒子进入该场的范围时,其波长会被它们扭曲,从而有效地改变其颜色。研究人员可以监控这些颜色的变化,并将WGR用作传感器;早些时候,不同的研究团队使用它们来检测溶液中的单个病毒颗粒。然而,OIST的研究人员观察到,可以对先前的工作进行改进,以开发更敏感的设计。

目前,Jonathan Ward博士正在使用WGR来更有效地检测前所未有的微小颗粒。沃德博士解释说,由它们开发的WGR是空心玻璃泡,而不是球。“我们用激光加热了一个小玻璃管,让空气吹了下来 - 这很像传统的玻璃吹制。”当空气被吹到加热的玻璃管上时,一个能够支撑敏感光场的球形腔室是形成。吹制玻璃饰品与这些精密仪器之间最明显的差异是尺度:玻璃泡的尺寸可以低至100微米 - 宽度的几分之一毫米。它们的大小使它们易于处理;但是,它们也具有延展性。

沃德博士从理论模型开始研究并证明,借助于薄球壳(或气泡)而不是实心球,可以增加光场的大小。当使用更大的场时,可以检测到粒子的范围,从而提高传感器的效率。

我们知道我们有制造谐振器的技术和材料。接下来,我们必须证明它可以胜过用于粒子检测的当前类型。沃德博士

研究人员设计了一个相对简单的测试来证明他们的概念。将含有微小颗粒的聚苯乙烯的液体溶液填充到新的气泡设计中,并使光沿着玻璃丝发光以在其液体内部产生光场。在光场范围内移动的粒子产生明显的波长变化,与使用标准球形WGR时观察到的相比,这些变化明显更明显。

由于研究人员现在拥有更有效的工具,他们的下一个挑战是找到它的应用程序。获得有关不同材料对光场带来的变化的知识将使沃德博士能够识别和瞄准他们,甚至操纵他们的行为。

尽管它们易碎,但这些WGR的新变种可以很容易地生产出来,并且可以在量身定制的情况下安全地运输。这表明可以在广泛的领域中使用这些传感器,例如通过测试水中的有毒分子来检测污染,或者在医疗可能有限的高度农村地区检测血源性病毒。

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