纳米技术革命需要标准化的螺丝

由巴斯大学物理学家领导的国际科学家团队发现了微小粒子的新型非线性光学特性。这一发现对于从事显示技术、化学催化和医学等不同领域的研究人员具有重要意义。

这种新特性是在光穿过微小粒子(大小与光的波长相似)时散射出的颜色与照明光不同。散射光的频率为“二次谐波频率”，即其频率是照明光频率的两倍。

这项研究探索了廷德尔效应，即大于纳米粒子但小于微米粒子的粒子发生光散射的现象。这种尺寸的粒子包括病毒和单细胞生物，例如细菌。

当用白光照射时，这些粒子会呈现蓝色(蓝眼睛的颜色也是由于丁达尔效应)。

二阶谐波丁达尔散射

分散在液体中的无机颗粒有许多用途，包括给油漆和塑料添加颜色、紫外线防护霜(氧化锌和二氧化钛散射紫外线但让可见光通过)、催化(加速或促进化学反应)和医疗治疗(例如封装药物并将其输送到目标、选择性切割DNA和杀死病毒)。

对于所有这些应用，研究人员必须准确、实时地表征粒子的大小和形状。

光是对水中粒子进行此类分析的最佳方法，水中通常是粒子所处的介质。当粒子被照射时，它们的散射光会包含有关其大小和几何形状的信息。

分析颗粒大小的几种方法都依赖于丁达尔效应。大多数方法都依赖于弱光源(通常是灯)，收集到的散射光与照明颜色相同。其他更复杂的方法则依赖于激光光源。这项新研究将科学家对激光散射光的理解提升到了一个新的水平。

巴斯团队和这项研究的负责人文西斯拉夫·瓦列夫教授解释说：“在廷德尔的实验中使用长波激光时，可以产生不同颜色的光(短波)，然后散射。新颜色对应于照明光振动的两倍。

“这一发现于1965年在福特汽车公司的实验室中取得，适用于所有尺寸的粒子。但如果粒子的尺寸符合廷德尔效应范围，那么照明光和新产生的光可以在空间中更好地分离。基本上，廷德尔效应按尺寸对光波进行分类。

他补充道：“但直到现在，通过这项新研究，我们还无法观察到一个几何特性：手性!”

扭曲的分子

手性是几乎所有长度尺度上的基本几何特性。在人类和其他生物体中，所有功能性氨基酸都是手性的，糖、蛋白质等也是如此。手性以分子扭转的方向(顺时针或逆时针)表示，类似于DNA螺旋的扭转。

在这项新研究中，来自美国的团队成员制造了长度约270纳米的硅螺旋，其尺寸与某些病毒、大型外泌体和噬菌体相当。

瓦列夫教授表示：“我们发现，当我们用手性(或圆偏振)激光照射这些螺旋时，散射光可以告诉我们硅螺旋的最终走向。

“这很重要的原因之一是硅是地球上最丰富的固体元素，因此每一种新特性都具有可持续且经济高效的应用潜力。

“另一个原因是，测量扭转(手性)对于从纳米技术构件组装无机材料至关重要。其重要性类似于制造并能够测量标准螺钉的螺纹。”

展望未来，瓦列夫教授表示：“现在我们已经了解了水中单个螺旋的特性，下一步就是开始修改它们，最终将它们构建成自组装材料。”

这项研究论文的第一作者、博士生BenOlohan表示：“这里的关键是生物过程从分子延伸到细胞组合甚至更远。与丁达尔散射的长度尺度相比，在更小和更大的粒子上也观察到了类似的效应。

“因此，这种中等长度尺度效应肯定存在，但尚未被观察到。这就是我一直在努力寻找其证明的原因。对于我的博士项目来说，找到科学中这样一个‘缺失的环节’让我感到非常满意。”

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