Fast rotation of small metallic particles

‫بیست و یکمین کنفرانس اپتیک و فوتونیک ایران‬ ‫و هفتمین کنفرانس مهندسی و فناوری فوتونیک ایران‬ ‫‪ ۳۲‬تا ‪ ۳۲‬دی ماه ‪ ،۳۲۳۲‬دانشگاه شهید بهشتی‬ ‫چرخش سریع ذرات فلزی کوچک در تلهی نوری‬ ‫فائقه حاجی زاده‪۳‬و‪ ،۳‬لی شاو‪ ۳‬و میکائیل شل‬ ‫‪۳‬‬ ‫‪ -۳‬دانشکده فیزیک‪ ،‬دانشگاه تحصیالت تکمیلی در علوم پایه زنجان‪ ،‬زنجان‬ ‫‪ -۳‬گروه بیونانوفوتونیک‪ ،‬دانشگاه چالمرز‪ ،‬گوتنبرگ‪ ،‬سوئد‬ ‫چکیده – انبرک نوری در چند دههی اخیر به یک ابزار قدرتمند در علوم مختلف تبدیل شده است‪ .‬اساس کار انبرک نوری‪ ،‬انتقال اندازه حرکت فوتونها‬ ‫به ذرات میکرو‪ -‬و نانومتری است که میتوان با کمک آن ذرات را معلق نگه داشت‪ ،‬آنها را جابهجا کرد و نیروهایی در ابعاد پیکونیوتن را اندازه گرفت‪ .‬در‬ ‫این مقاله نشان میدهیم که قطبش دایرهای و انتقال اندازه حرکت زاویهای نور به ذرات جاذب فلزی باعث چرخش آنها میشود‪ .‬سرعت چرخش ذرات‬ ‫در تلهی نوری وابسته به توان لیزر و شکل ذرات است و برای ذرات کروی به طرز حیرتانگیزی به چند کیلوهرتز نیز میرسد‪.‬‬ ‫کلید واژه‪ -‬انبرک نوری‪ ،‬نانوذرات فلزی‪ ،‬گشتاور نوری‪ ،‬اندازه حرکت زاویهای‬ ‫‪Fast rotation of small metallic particles‬‬ ‫‪۳‬‬ ‫‪۳‬‬ ‫‪۳۳‬‬ ‫‪Faegheh Hajizadeh , , Lei Shao , Mikael Käll‬‬ ‫‪۳- Department of physics, Institute for advanced studies in basic sciences (IASBS), Zanjan, Iran.‬‬ ‫‪۳- Department of Applied Physics, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden‬‬ ‫‪Abstract- Optical tweezers have become powerful tools in many areas. By transferring light momentum from photons to‬‬ ‫‪micro- and nano-particles, one could immobilize submicron particles, transport them and also measure sub-picoNewton‬‬ ‫‪forces. In this paper we show by utilizing the angular momentum of a circularly polarized light, metallic nano particles rotate.‬‬ ‫‪Rotation speed depends to laser power and particle shape and size. Here, we show that rotation speed for round shape particle‬‬ ‫‪raise up to few kHz.‬‬ ‫‪Keywords: Optical tweezers, Metallic nano particles, Optical torque, Angular momentum‬‬ ‫‪۳00۳‬‬ ‫این مقاله در صورتی دارای اعتبار است که در سایت ‪ www.opsi.ir‬قابل دسترسی باشد‪.‬‬ ‫‪ ۳۲‬تا ‪ ۳۲‬دیماه ‪ ،۳۲۳۲‬دانشگاه شهید بهشتی‬ ‫نانوذرات فلزی به دلیل جذب باالیی که دارند‪ ،‬براحتی با‬ ‫انتقال اندازه حرکت زاویهایِ قطبش دایرهای نور لیزر در‬ ‫تلهی نوری میچرخند‪ .‬سرعت چرخش به اندازهی ذرات‪،‬‬ ‫شکل آنها و توان لیزر بستگی دارد‪ .‬در اینجا نشان‬ ‫میدهیم که سرعت چرخش برای نانو ذرات فلزی بسیار‬ ‫بیشتر از نانومیلههای فلزی است و به چند کیلوهرتز‬ ‫میرسد‪ .‬چرخش ذرات نانومتری میتواند کاربردهای‬ ‫زیادی در نانوسنسورها و میکروکانالها داشته باشد‪.‬‬ ‫‪ -۱‬مقدمه‬ ‫تلهی نوری یا انبرک نوری در اصل یک باریکهی لیزر با‬ ‫توزیع شدت گاوسی است که توسط یک عدسی با‬ ‫گشودگی عددی باال کانونی شده است ]‪ .[۳،۳‬با کمک‬ ‫روش انبرک نوری میتوان به ذرات میکرونی با‬ ‫ضریبشکست بزرگتر از محیط اطراف نیروی پیکونیوتنی‬ ‫وارد کرد‪ .‬این نیرو با انتقال تکانهی نور به جسم ایجاد‬ ‫میشود‪ .‬در طول سه دههی گذشته انبرک نوری به ابزار‬ ‫بسیار مهمی برای پژوهش در زمینههای مختلف علوم‬ ‫تبدیل شده است‪ .‬در مطالعات زیست شناختی با توجه به‬ ‫پیشرفتهای وسیع در این زمینه‪ ،‬استفاده از تکنیک‬ ‫انبرک نوری برای بررسی نیروهای ساختاری درون‬ ‫ماکرومولکولهای زیستی بسیار مورد توجه قرار گرفته‬ ‫است‪ .‬در این مطالعات‪ ،‬میکروکرههای دیالکتریک به‬ ‫عنوان دستگیرهای برای پلیمرهای زیستی استفاده‬ ‫میشوند و با کمک میکروکرهها به پلیمرهای مذکور نیرو‬ ‫وارد میشود‪ .‬از طرف دیگر با توجه به پیشرفتهایی که‬ ‫در زمینهی تلهاندازی نوری نانوذرات فلزی به دست آمده‬ ‫است‪ ،‬امروزه میتوان ذراتی به کوچکی ‪ ۳0‬نانومتر را با‬ ‫کمک انبرک نوری در تلهی نوری معلق نگه داشت ]‪.[۲‬‬ ‫تلهاندازی نوری ذرات نانومتری امید فراوانی در علوم‬ ‫نانوتکنولوژی‪ ،‬علوم زیستی و نانوالکترونیک بهوجود آورده‬ ‫است‪ .‬به عنوان مثالی از این نوع کاربردها میتوان نانوذرات‬ ‫فلزی را به داخل سلولهای زیستی فرستاد و با تله‬ ‫انداختن این ذرات در داخل سلول زنده‪،‬‬ ‫میکرودستکاریهای مختلف مانند اِعمال نیرو به اجزای‬ ‫داخلی سلول انجام داد‪ .‬از طرفی نانوذرات فلزی در تلهی‬ ‫نوری‪ ،‬با توجه به وجود الکترونهای آزاد بر روی سطح‬ ‫آنها‪ ،‬جذب باالیی دارند‪ .‬تولید گرما در حدّ دمای ذوب فلز‪،‬‬ ‫در فضایی بهاندازهی کسری از میکرون‪ ،‬کاربردهای زیادی‬ ‫برای نانوذرات فلزی در پزشکی ایجاد کرده است]‪ .[4‬به‬ ‫طور مثال در تشخیص سلولهای سرطانی‪ ،‬نانوذرات‬ ‫بهوسیله پیونددهندههای زیستی به سلولهای سرطانی‬ ‫متصل میشوند و به این ترتیب سلولهای سرطانی از‬ ‫بافت سالم قابل تشخیص میشوند‪ .‬از طرفی با استفاده از‬ ‫گرمای زیاد ناشی از برانگیختگی نوری نانوذرات‪ ،‬میتوان‬ ‫بافت سرطانی را تخریب کرد]‪.[۲‬‬ ‫در این مقاله نانوذرات در تلهی نوری را از نظر انتقال اندازه‬ ‫حرکت زاویهای نور به ذره مورد بررسی قرار میدهیم‪.‬‬ ‫‪ -۲‬چیدمان آزمایشگاهی‬ ‫چیدمان آزمایشگاهی مورد استفاده‪ ،‬شامل یک لیزر‬ ‫)‪ (Ti:Saph, Spectra-Physics 0033S‬با طول موج‬ ‫‪ ۰۲0nm‬و یک میکروسکوپ وارون (‪)Nikon TE ۲۳00‬‬ ‫است‪ .‬نور خروجی لیزر در ابتدا قطبش خطی دارد که بعد‬ ‫از اینکه توسط دو لنز پهن شد‪ ،‬توسط یک قطبشگر و‬ ‫یک تیغهی ربع موج‪ ،‬میتوان قطبش دایرهای ایجاد کرد‪.‬‬ ‫نور لیزر بعد از بازتاب از دو آینه وارد یک میکروسکوپ‬ ‫شده و توسط یک عدسی شیئی (‪ 00x‬و‪ )NA=0.0‬داخل‬ ‫نمونه کانونی میشود‪ .‬اطالعات بیشتر در مورد چیدمان‬ ‫آزمایشگاهی را میتوان در مرجع ‪ 0‬یافت‪ .‬نانوذراتی که در‬ ‫این آزمایش برای تلهاندازی استفاده میشوند‪ ،‬شامل نانو‬ ‫ذرات میلهای شکل از جنس نقره با طولهای مختلف یا‬ ‫نانو ذرات کروی شکل با قطر تقریبی ‪ 400nm‬هستند که‬ ‫از شرکت ‪ Sigma-Aldrich‬خریداری شدهاند‪ .‬هر دو نوع‬ ‫این ذرات جذب باالیی در طول موج ‪ ۰۲0nm‬دارند که‬ ‫باعث میشود اندازهحرکت زاویهای بیشتری به ذرات در‬ ‫تلهی نوری منتقل شود‪ .‬شکل ‪ ،۳‬تصاویر ‪ SEM‬این ذرات‬ ‫را نشان میدهد‪.‬‬ ‫آماده سازی نمونه به این صورت است که ابتدا الم و‬ ‫الملهای مورد نیاز را با استفاده از محلول ‪ TL۳‬شسته و‬ ‫شکل ‪ :۳‬تصاویر ‪ SEM‬از ذرات مورد بررسی در این مقاله‪ .‬الف) نانو‬ ‫میله نقره‪ ،‬ب) نانو کرههای طال با قطر تقریبی ‪ 400‬نانومتر‪.‬‬ ‫تمیز مینماییم‪ .‬تمیز نمودن شیشهها در این آزمایش‪،‬‬ ‫‪۳0۳0‬‬ ‫‪ ۳۲‬تا ‪ ۳۲‬دیماه ‪ ،۳۲۳۲‬دانشگاه شهید بهشتی‬ ‫خصوصا برای چرخش نانومیلهها اهمیت زیادی دارد‪ .‬چون‬ ‫تلهی ایجاد شده یک تلهی دوبعدی است و در نزدیکی‬ ‫سطح المل انجام میشود‪ ،‬تمیز نمودن الملها کمک‬ ‫میکند که آلودگی موجود بر روی سطح شیشه و درنتیجه‬ ‫اصطکاک سطح تا حد خوبی کم شود و چرخش نانو‬ ‫میلهها در نزدیکی سطح راحتتر صورت گیرد‪ .‬سپس بین‬ ‫الم و المل با استفاده از چسبهای دوطرفه ویژهی‬ ‫میکروسکوپی‪ ،‬فضایی به ابعاد دایرهای و ارتفاع ‪۳00 m‬‬ ‫بوجود میآوریم‪ .‬سپس نانوذرات محلول در آب را پس از‬ ‫رقیق کردن در ظرف نمونه تزریق میکنیم‪ .‬قابل توجه‬ ‫است که این ذرات چون دارای جذب باالیی در طول موج‬ ‫‪ ۰۲0nm‬دارند‪ ،‬تلهاندازی نوری آنها در سه بعد امکان پذیر‬ ‫نیست‪ .‬به همین دلیل در این آزمایش تالش میشود که‬ ‫آنها را در دوبعد به تله انداخت‪ .‬برای این کار ابتدا بعد از‬ ‫اینکه نانو میلهی مورد نظر را در داخل نمونه پیدا کردیم‪،‬‬ ‫با کمک میزچهی جابهجا کننده میکرونی‪ ،‬ذره را به سمت‬ ‫کانون لیزر هدایت میکنیم‪ .‬لیزر نیروی دافعهای در جهت‬ ‫انتشار لیزر به این ذره وارد میکند‪ .‬این کار را چند بار‬ ‫تکرار میکنیم تا اینکه ذره به سطح المل باالیی برسد‪ .‬به‬ ‫این ترتیب ذره بین سطح شیشه و کانون لیزر به تله‬ ‫میافتد‪ .‬شکل ‪ ۳‬نحوه انجام این کار را نشان میدهد‪.‬‬ ‫جهتگیری نانو میله قبل از نزدیک شدن به سطح المل‬ ‫‪ ،۳‬در راستای انتشار لیزر است‪ ،‬ولی در تلهی نوری که در‬ ‫نزدیکی سطح المل ‪ ۳‬ایجاد میشود‪ ،‬بر اثر فشار تابشی به‬ ‫صورت مماس بر سطح قرار میگیرد‪.‬‬ ‫همراه با قطبش خطی میچرخد‪ .‬برای چرخش قطبش‬ ‫خطی لیزر کافیست که یک تیغهی نیم موج را در مسیر‬ ‫لیزر‪ ،‬قبل از واردشدن به میکروسکوپ‪ ،‬قرار دهیم‪ .‬به این‬ ‫ترتیب میتوانیم جهتگیری نانومیله در تلهی نوری را‬ ‫تغییر دهیم‪ .‬از طرفی اگر از یک تیغهی ربع موج استفاده‬ ‫کنیم‪ ،‬یک قطبش دایرهای ایجاد کردهایم‪ .‬به این ترتیب‬ ‫مشاهده میکنیم که ذره شروع به چرخش میکند و با‬ ‫افزایش توان لیزر سرعت چرخش نانومیله افزایش مییابد‪.‬‬ ‫بیشترین سرعتی که برای چرخش یک نانو میله‬ ‫اندازهگیری کردهایم‪ ،‬در حدود ‪ 0‬دور بر ثانیه با توان لیزر‬ ‫‪ 40mW‬در داخل نمونه است‪ .‬شکل ‪ ۲‬تصویر‬ ‫میکروسکوپی میدان تاریک از چرخش یک نانو میلهی‬ ‫نقره را در تلهی نوری را نشان میدهد‪ .‬در این تصویر‬ ‫جهت چرخش ذره‪ ،‬خالف حرکت عقربهای ساعت است‪،‬‬ ‫که اگر تیغه ربع موج را به اندازه ‪ ۳0‬درجه بچرخانیم‪،‬‬ ‫جهت چرخش ذرات برعکس میشود‪.‬‬ ‫شکل ‪ :۲‬تصویر میکروسکوپی میدان تاریک از یک نانومیلهی نقرهی‬ ‫چرخنده در تلهی نوری‪ .‬فاصلهی زمانی بین تصاویر الف تا ت کمتر از‬ ‫یک ثانیه است‪ .‬طول این نانومیله در حدود ‪ ۲‬میکرون است‪.‬‬ ‫در ادامه‪ ،‬این آزمایش را برای ذرات کروی ‪ 400nm‬تکرار‬ ‫میکنیم‪ .‬برای این کار بعد از رقیق کردن ذرات با آب‬ ‫مقطر‪ ،‬از آن نمونهای آماده کرده و مانند نانو میلهها آنها را‬ ‫در تلهی نوری قرار میدهیم‪ .‬همانطور که تصاویر ‪SEM‬‬ ‫این ذرات نشان میدهد (شکل ‪ ،)۳‬این ذرات به صورت‬ ‫متقارن کروی شکل نیستند و سطح ناصافی دارند‪ .‬با این‬ ‫وجود‪ ،‬ناصافی این ذرات با استفاده از یک میکروسکوپ‬ ‫نوری قابل تمیزدادن نیست و برای اندازه گیری سرعت‬ ‫چرخش ناچاریم از روشهای دیگری استفاده کنیم‪.‬‬ ‫برای این کار از یک فیبر نوری که در صفحه تصویر ذره‬ ‫شکل ‪ :۳‬طرحوارهی تلهاندازی دوبعدی نانوذرات فلزی‪.‬‬ ‫در ابتدای آزمایش ابتدا از قطبش خطی لیزر استفاده‬ ‫میکنیم‪ ،‬با قطبش خطی نانو میلهی نقره در تلهی نوری‬ ‫فقط حرکت افت و خیز کاتورهای بسیار محدودی دارد‪.‬‬ ‫اگر قطبش خطی لیزر را بچرخانیم‪ ،‬میبینیم که نانومیله‬ ‫‪۳0۳۳‬‬ ‫‪ ۳۲‬تا ‪ ۳۲‬دیماه ‪ ،۳۲۳۲‬دانشگاه شهید بهشتی‬ ‫قرار دارد‪ ،‬استفاده میکنیم‪ .‬فیبر نوری شدت پراکندگی‬ ‫میدان تاریک از ذره را با کمک یک فوتودیود جمعآوری‬ ‫کرده و به کامپیوتر منتقل میکند‪ .‬با توجه به اینکه ذرات‬ ‫به طور کامال نامتقارن هستند‪ ،‬طیف پراکندگی این ذرات‬ ‫در دو راستای عمود برهم اندکی باهم تفاوت دارند‪.‬‬ ‫بنابراین استفاده از یک قطبشگر قبل از فیبرنوری کمک‬ ‫میکند که جهت گیری ذره در داخل تلهی نوری را بتوان‬ ‫از هم تمیز داد‪ .‬در نهایت با محاسبهی نمودار خود‬ ‫همبستگی از شدت نوری که فیبر نوری‪ ،‬در یک بازهی‬ ‫زمانی چند ثانیه‪ ،‬اندازهگیری میکند ]‪ ،[۲‬میتوانیم‬ ‫سرعت چرخش را تخمین بزنیم‪ .‬وقتی قطبش لیزر خطی‬ ‫است‪ ،‬نمودار خود همبستگی از شدت نور پراکنده شده از‬ ‫ذره‪ ،‬یک نمودار میرای همگرا به صفر (یک خط صاف) را‬ ‫نشان میدهد‪ .‬ولی وقتی از قطبش دایرهای استفاده‬ ‫میکنیم‪ ،‬نمودار خودهمبستگی نوسانی و مانند شکل ‪4‬‬ ‫در میآید‪ ،‬که نشان دهندهی چرخش ذرهی در تله است‬ ‫]‪ .[4‬با برازش بر این دادههای تجربی میتوان سرعت‬ ‫چرخش ذره را اندازهگیری کرد‪ .‬اطالعات بیشتر در مورد‬ ‫تحلیل دادهها با استفاده از تابع خودهمبستگی را میتوان‬ ‫سطح قرار دارد‪ .‬بنابراین اصطکاک بین سطح و ذره برای‬ ‫ذرات میلهای شکل بزرگتر است که یکی از دالیلی است‬ ‫که ذرات میلهای با سرعت کمتری نسبت به ذرات گرد‬ ‫میچرخند‪.‬‬ ‫روش دیگری که برای تخمین سرعت چرخش استفاده‬ ‫نمودیم‪ ،‬روش طیف توانی است‪ .‬در روش طیف توانی که‬ ‫روش رایجی برای اندازهگیری سختی تلهی نوری است‪ ،‬از‬ ‫یک فوتودیود چهارتایی در صفحه کانون پشتی عدسی‬ ‫جمعکننده استفاده میکنیم]‪ .[4‬نتایج این روش توافق‬ ‫خوبی با روش استفاده از نمودار خودهمبستگی دارد‪.‬‬ ‫‪ -۳‬نتیجهگیری‬ ‫در این مقاله به صورت تجربی نشان دادیم که چگونه‬ ‫انتقال اندازه حرکت زاویهای نور به ذرات فلزی جاذب‬ ‫باعث جهت گیری و چرخش آنها میشود‪ .‬جهت چرخش‬ ‫وابسته به جهت اندازهحرکت زاویهای نور است و سرعت‬ ‫چرخش این ذرات وابسته به اندازهی ذره‪ ،‬شکل آن و توان‬ ‫لیزر است‪ .‬بیشترین سرعت چرخشی که در این بررسی‬ ‫اندازه گیری شد در حدود چند هرتز برای نانومیلهها و‬ ‫چند کیلو هرتز برای نانو ذرات کروی است‪.‬‬ ‫سپاسگزاری‬ ‫از دکتر سید نادر ریحانی برای بحثهای مفید و‬ ‫پیشنهادهای سازندهی ایشان بسیار سپاسگزاریم‪.‬‬ ‫مراجع‬ ‫‪[1] A. Ashkin, J. m. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, S. Chu,‬‬ ‫‪Observation of the single-beam gradient force optical trap‬‬ ‫‪for dielectric particles. Opt. Lett, 11, (1891) 899‬‬‫‪882.‬‬ ‫‪[8] F. Hajizadeh and S. N. S. Reihani, Optimized Optical‬‬ ‫)‪Trapping of gold nanoparticles, Opt. Exp. 19 (8212‬‬ ‫‪551–558.‬‬ ‫‪[3] P. M.Hansen, V. K. Bhatia, N. Harrit, and L. Oddershede,‬‬ ‫‪Expanding the optical trapping range of gold‬‬ ‫)‪nanoparticles anoparticles, Nano Lett. 5 (8225‬‬ ‫‪[4] F. Hajizadeh and S. N. S. Reihani, Gold Nano-Smolder‬‬ ‫‪for Biological Tissue Manipulation, IJOP, 7 (8213) 55-18‬‬ ‫‪[5] P. K. Jain, I. H. El-Sayed, and M. A. El-sayed, Au‬‬ ‫‪nanoparticles target cancer, Nano Today, 8 (8227) 19‬‬‫‪88.‬‬ ‫‪[1] A. Lehmuskero, R. Ogier, T. Gschneidtner, P. Johansson,‬‬ ‫‪and M. Käll, Ultrafast spinning of gold nanoparticles in‬‬ ‫‪water using circularly polarized light, Nano Lett. 13‬‬ ‫‪(8213) 3188-3134‬‬ ‫شکل ‪ :4‬نمودار خودهمبستگی از شدت نور تصویر میکروسکوپی‬ ‫میدان تاریک از ذرات ‪ 400‬نانومتری در تلهی نوری‪ .‬توان لیزر به‬ ‫ترتیب الف)‪ ،۳0 mW‬ب)‪ ، ۳0 mW‬و پ)‪ 40 mW‬است‪.‬‬ ‫در مرجع ‪ 0‬پیدا کرد‪ .‬شکل ‪ 4‬نشان میدهد که با افزایش‬ ‫توان لیزر از ‪ ۳0mW‬تا ‪ 40mW‬در داخل نمونه‪ ،‬سرعت‬ ‫چرخش افزایش و از ‪ ۳/۳‬کیلوهرتز به ‪ ۰/۲‬کیلو هرتز‬ ‫میرسد‪ .‬باید توجه داشت که این تلهی نوری در نزدیکی‬ ‫‪۳0۳۳‬‬