Золотая платформа раскрывает тайны невидимого «клея» природы
Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции обнаружили быстрый и простой способ изучения скрытых сил, которые связывают мельчайшие объекты во Вселенной. Используя золото, солёную воду и свет, они создали платформу, на которой эти силы можно увидеть через цвета.
Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
В лаборатории Чалмерса докторант Михаэла Гошкова демонстрирует стеклянный контейнер, заполненный миллионами золотых хлопьев размером в микрометры в солевом растворе. Используя пипетку, она набирает каплю раствора и помещает её на покрытую золотом стеклянную пластину в оптическом микроскопе.
Золотые хлопья в солевом растворе немедленно притягиваются к подложке, но оставляют между собой и золотой подложкой оптические пространства размером в нанометры. Полости, созданные в жидкости, действуют как резонаторы, в которых свет отражается туда и обратно, отображая цвета.
Когда галогенная лампа микроскопа освещает платформу, а спектрометр разделяет длины волн, можно идентифицировать разные цвета света. На мониторе, подключённом к лабораторному оборудованию, теперь можно увидеть, как золотые хлопья движутся и меняют цвет на красный и зелёный на золотисто-жёлтом фоне.
«То, что мы видим, — это взаимодействие фундаментальных сил в природе. Через эти крошечные полости мы можем теперь измерять и изучать силы, которые мы называем «природным клеем» — тем, что связывает объекты вместе на мельчайших масштабах. Нам не нужно вмешиваться в то, что происходит, мы просто наблюдаем за естественными движениями хлопьев», — говорит Гошкова, докторант кафедры физики Технологического университета Чалмерса и первый автор статьи.
Через свет, захваченный в полостях, исследователи могут изучать хрупкий баланс между двумя силами: силой, притягивающей крошечные объекты друг к другу (эффект Казимира), и электростатической силой, возникающей в солевом растворе и удерживающей хлопья от полного прилипания к подложке.
Самоорганизация — это процесс, при котором силы уравновешивают друг друга, и в результате образуются полости, открывающие новые возможности для исследований.
«Силы на наноуровне влияют на то, как собираются различные материалы или структуры, но мы до сих пор не до конца понимаем все принципы, управляющие этой сложной самоорганизацией. Если бы мы полностью их понимали, мы могли бы научиться контролировать самоорганизацию на наноуровне. В то же время мы можем получить представление о том, как те же принципы управляют природой в гораздо больших масштабах, даже о том, как формируются галактики», — говорит Гошкова.
Новая платформа исследователей Чалмерса — это дальнейшее развитие нескольких лет работы исследовательской группы профессора Тимура Шегая на кафедре физики. Начиная с открытия в 2021 году, что пара золотых хлопьев создаёт самоорганизующийся резонатор, исследователи разработали метод изучения различных фундаментальных сил.
Исследователи считают, что платформа, на которой самоорганизующиеся золотые хлопья действуют как плавающие датчики, может быть полезна во многих различных научных областях, таких как физика, химия и материаловедение.
«Метод позволяет нам изучать заряд отдельных частиц и силы, действующие между ними. Другие методы изучения этих сил часто требуют сложных инструментов, которые не могут предоставить информацию на уровне частиц», — говорит руководитель исследования Тимур Шегай.
Другой способ использования платформы, который важен для развития многих технологий, — это более глубокое понимание того, как отдельные частицы взаимодействуют в жидкостях и либо остаются стабильными, либо имеют тенденцию слипаться. Это может дать новое представление о путях прохождения лекарств через организм, о том, как создавать эффективные биосенсоры или фильтры для воды. Но это также важно для повседневных продуктов, которые вы не хотите слипаться, таких как косметика.
«Тот факт, что платформа позволяет нам изучать фундаментальные силы и свойства материалов, показывает её потенциал как действительно многообещающей исследовательской платформы», — говорит Шегай.
В лаборатории Гошкова открывает коробку с готовым образцом платформы. Она поднимает его пинцетом и показывает, как легко его можно поместить в микроскоп. Две тонкие стеклянные пластины удерживают всё необходимое для изучения невидимого «клея» природы.
«Что меня больше всего восхищает, так это то, что само измерение настолько красиво и просто. Метод прост и быстр, основан только на движении золотых хлопьев и взаимодействии между светом и материей», — говорит Гошкова, увеличивая изображение микроскопа на золотой хлопье, цвета которого сразу же раскрывают действующие силы.
Золотые хлопья размером примерно 10 микрометров помещаются в контейнер, заполненный солевым раствором, то есть водой, содержащей свободные ионы. Когда капля раствора помещается на стеклянную подложку, покрытую золотом, хлопья естественным образом притягиваются к подложке, и появляются полости размером в нанометры (100–200 нанометров).
Самоорганизация возникает в результате хрупкого баланса между двумя силами: силой Казимира, непосредственно измеряемым квантовым эффектом, который заставляет объекты притягиваться друг к другу, и электростатической силой, возникающей между заряженными поверхностями в солевом растворе.
Когда простая галогенная лампа освещает крошечные полости, свет внутри захватывается, как в ловушке. Это позволяет исследователям более внимательно изучить свет с помощью оптического микроскопа, подключённого к спектрометру. Спектрометр разделяет длины волн света, чтобы можно было идентифицировать разные цвета.
Платформа была разработана в лаборатории нанофабрикации Чалмерса (Myfab Chalmers) и в лаборатории материаловедческого анализа Чалмерса (CMAL).
Предоставлено Технологическим университетом Чалмерса.