(Caciagli et al., Phys Rev. Lett., 2020) Die Idee, Partikel durch Erwärmung einzufrieren, ist gelinde gesagt kontraintuitiv. Aber Physiker haben gezeigt, wie speziell entwickelte Mischungen im Dunkeln „schmelzen“, aber dank ihrer einzigartigen thermischen Aktivität kristallisieren, sobald das Licht angeht.
Anstatt die Partikel herumzuschleudern und auszubreiten, zeigten die Forscher, dass sie durch die Verwendung von Licht zum Erhitzen der Mischung in der Lage waren, die Partikel an Ort und Stelle zu fixieren und sie zum Zusammenklumpen zu zwingen, als wären sie gefroren.
Forscher der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich führten ihre Experimente an einem durch Kolloid bestehend aus Wasser, Polystyrol und kleinen Öltröpfchen, die mit DNA beschichtet sind, um die Dynamik zwischen ihnen bei Erwärmung durch Licht besser zu verstehen.
Wie Ihnen Ihr Physiklehrer an der High School einmal beigebracht hat, fließen Partikel, die in einem Temperaturgradienten schweben, von heißen Stellen weg zu kühleren.
Wenn wir Ölsuspensionen erhitzen und uns dabei auf die Grenze zu ihrer wässrigen Umgebung konzentrieren, liegt es nahe, zu erwarten, dass die Mischung der Moleküle vor Aufregung wackelt, sich stoßend und schleifend in Richtung kühlerer Bereiche bewegt und die Flüssigkeiten in Bewegung versetzt .
Es gibt sogar einen Begriff für diesen Öl- und Wasserfluss; Die Marangoni-Effekt .
Vereinfacht ausgedrückt macht die unterschiedliche Oberflächenspannung zwischen Öl und Wasser beide auf leicht unterschiedliche Weise anfällig für Temperaturschwankungen, wodurch ihre Partikel zur Streuung gezwungen werden.
Um die Wirkung von Licht auf Tröpfchensuspensionen zu untersuchen, beschichteten der Physiker für weiche Materie Alessio Caciagli und sein Team 20 bis 30 Mikrometer große Ölklumpen mit einem Polymer, das stark mit einzelnen DNA-Strängen bestäubt war.
Diese flauschigen Ölkügelchen wurden dann in einer Suspension mit Polystyrolkügelchen von etwa einem halben Mikrometer Durchmesser kombiniert. Die DNA verband das Polystyrol mit der Außenfläche der Öltropfen, sodass das Material, wenn es in Wasser suspendiert wurde, ein locker gebundenes Kolloid bildete.
Dann begann der wahre Spaß. Das Beleuchten der Grenzfläche zwischen Öl und Wasser ließ einen einzelnen Polystyrolklumpen an Ort und Stelle sitzen, festgehalten von gut verstandenen optischen Effekten.
Im Licht des Laserstrahls stieg die Temperatur des Polystyrols um etwa 5 Grad Celsius und erzeugte einen Wärmegradienten gegenüber dem umgebenden Wasser.
Normalerweise sollte der Marangoni-Effekt ausreichen, um die Polystyrolkügelchen zu zerstreuen und das Kolloid auseinanderfliegen zu lassen.
Doch durch ein verschwommenes Geflecht aus DNA-Strängen zusammengehalten, trieb das Polystyrol stattdessen dahin näher zusammen auf der Oberfläche des Öltropfens.
Es stellt sich heraus, dass der durch das eingeschlossene Polystyrol erzeugte Wärmegradient eine Strömung in den beiden Flüssigkeiten erzeugt, die die anderen suspendierten Partikel an sich saugt.
Das Ergebnis ist eine eigenartige Kristallisation kolloidaler Partikel, die durch die Wärme eines Lichtstrahls ausgelöst wird. Um sie zum Schmelzen zu bringen, bedarf es nur der Dunkelheit.
Überzeugen Sie sich selbst im folgenden Clip.
Obwohl es nicht das ist, was wir erwartet hätten, scheint die Physik ziemlich grundlegend zu sein und wurde von den Modellen des Teams getestet.
Licht erweist sich als recht vielseitiges Instrument zur Manipulation von Teilchen. Da die endlose Miniaturisierung der Technologie immer präzisere Werkzeuge zum Ziehen und Stoßen winziger Materialien erfordert, fühlen wir uns inspiriert, nanoskalige Äquivalente davon zu erfinden Zange Und Hämmer basierend auf komplexe Effekte Licht hat auf Materie.
Die Nutzung der optischen Eigenschaften eines Lasers zur Schaffung eines „Wärmemagneten“ für suspendierte Materialien ist nur eine weitere Möglichkeit, wie wir eines Tages die molekularen Maschinen von morgen zusammenbringen könnten.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung .