Сегодня биологи, химики, фармацевты все чаще используют микрореакторы, их еще называют лабораториями на чипе. Крошечные контейнеры, испещренные внутри канавками, имеют размер от нескольких кубических миллиметров до нескольких кубических сантиметров — не больше спичечного коробка. Тем не менее, эти небольшие устройства позволяют делать экспресс-анализы крови, смешивать микроскопические дозы веществ для получения высокоэффективных лекарств, проводить опыты на клетках.

Однако при работе с микрореакторами существует одна сложность — ученые практически не могут влиять на скорость перемешивания или, выражаясь научным языком, диффузии жидкостей и реагентов, которые попадают в такую лабораторию на чипе.

«Поскольку размер полости внутри микрореактора очень маленький, то вы не сможете перемешать жидкости никакой стеклянной палочкой. Жидкость смешивается с другой естественным образом, как смешивается кофе и молоко в вашей чашке. Однако нам важно контролировать скорость диффузии, причем не только общую скорость внутри емкости, но и в каждом конкретном месте, чтобы, например, в одном участке нашей емкости процесс шел быстрее, а в каком-то другом — медленнее», — рассказывает профессор Нового физтеха Университета ИТМО Александр Шалин.

Сила света

Ученые Университета ИТМО совместно с коллегами из Чехии предложили методику, которая может решить проблему. Для перемешивания жидкостей они решили использовать так называемое световое давление.

Еще в конце XIX века британский ученый Джеймс Максвелл высказал идею, что свет может оказывать давление на физические объекты. Вскоре русский ученый Петр Лебедев показал это на практике. Однако сила этого давления совсем небольшая, и в те времена ей применения не нашлось. Сейчас же этим направлением занимается целая отрасль физики — оптомеханика (за развитие которой в 2018 году профессор Артур Эшкин получил Нобелевскую премию по физике). С помощью света захватывают живые клетки, двигают мельчайшие частицы вещества. Как оказалось, эти же силы можно использовать, чтобы перемешивать жидкости.

Как это работает

На основе последних достижений оптомеханики ученые из Санкт-Петербурга разработали наноантенну, представляющую собой крошечный кубик кремния размером около двухсот нанометров. Это невидимое глазу устройство способно управлять световой волной, которая на нее попадает.

«Наша наноантенна превращает свет круговой поляризации в оптический вихрь, — объясняет Александр Шалин. — Энергия света закручивается вокруг нее. Таким образом, выражаясь научным языком, мы преобразовываем спин-угловой момент света в орбитально-угловой».

Однако превратить поток света в крошечный «световорот» недостаточно. Для того, чтобы молекулы жидкостей начали активнее двигаться, нужно что-то посущественнее, чем закрученные вихрем фотоны. Поэтому помимо наноантенн ученые предложили запустить в жидкость некоторое количество наночастиц золота. Захваченные оптическим вихрем частицы начинают крутиться вокруг кубика кремния, выступая таким образом в качестве той самой «ложечки» для перемешивания реактивов. Причем размер этой системы так мал, что она может усилить диффузию в одном конце микрореактора в сто раз, практически не влияя на то, что происходит в другом.

Зеленый с золотом

Встает вопрос, почему для перемешивания жидкостей предложено использовать именно частицы золота, а не другого, более дешевого материала. Однако выбор ученых имеет свои веские причины.

«Золото — это химически инертный материал, который плохо вступает в реакции, также он не токсичен, — рассказывает первый автор работы, аспирант Университета ИТМО Адриа Канос Валеро. — Кроме того, нам необходимо было добиться того, чтобы на наночастицы воздействовали только спиновые силы и радиационное давление, но не притяжение к наноантенне (тому самому, упомянутому ранее кубику кремния), иначе частицы просто прилипли бы к ней. Этот эффект наблюдается для частиц золота определенного размера, если на систему светит обычный зеленый лазер. Мы рассматривали и другие металлы, но, к примеру, для серебра этот эффект наблюдается лишь в ультрафиолетовом спектре, что менее удобно».

Кстати, помимо перемешивания жидкостей описанный принцип может использоваться также для сортировки наночастиц золота: если ученым нужно отсортировать для эксперимента частицы золота строго одинакового размера, например, 30 нанометров. В настоящее время система полностью просчитана и создана ее теоретическая модель — следующим шагом станут опыты.

Статья: Canós Valero A., Kislov D., Gurvitz E.A., Shamkhi H.K., Pavlov A.A., Redka D., Yankin S., Zemánek P., Shalin A.S. Nanovortex‐Driven All‐Dielectric Optical Diffusion Boosting and Sorting Concept for Lab‐on‐a‐Chip Platforms. Advanced Science, 2020/10.1002/advs.201903049