Несмотря на то, что теоретические основы броуновского движения были расписаны более века назад Альбертом Эйнштейном, некоторые наблюдавшиеся расхождения с предложенной им теорией удалось объяснить лишь сейчас.

Клаус Крой (Klaus Kroy) и Франк Цихос (Frank Cichos), физики-теоретики из Лейпцигского Университета изучили неравновесное броуновское движение разогретых наночастиц, так называемое «горячее броуновское движение».

Когда Эйнштейн разрабатывал теорию броуновского движения, он исходил из того, что температура броуновской частицы равна температуре растворителя, не рассматривая то, как нагретые частицы влияют на окружающий их растворитель. Очевидно, что для любого исследователя, область научных интересов которого лежит в управлении наночастицами или слежением за ними с помощью пучков света, выкладки Эйнштейна должны быть пересмотрены – частицы, поглощающие излучение, могут нагреваться.

Рис. 1. Нагретые наночастицы передают энергию растворителю за счет излучения. (Рисунок из Physical Review Letters (2010), DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.090604).

Крой и Цихос нагревали суспендированные в воде наночастицы золота сфокусированным лазером и следили за происходящим. Результаты эксперимента продемонстрировали, что вязкость и температура, которые «чувствовали» нагретые наночастицы, отличались от параметров, характерных для их поверхности. Было показано, что значения параметров, соответствующих горячему броуновскому движению должны рассчитываться для всего объема растворителя, как ранее было теоретически предположено самими Кроем и Цихосом.

Новая теория позволяет контролировать и управлять движением наночастиц в жидкости. Цихос говорит, что возможно не только изменять скорость движения наночастиц с помощью сфокусированных лазеров – получение асимметричных частиц, содержащих золото лишь с одной стороны, позволит направлять их движение, поскольку инициирующее движение тепло будет поступать лишь с одной стороны. Он добавляет, что, например, наночастицы можно модифицировать группами, облучение которых вызовет «отклеивание» частиц с поверхности мембраны; также появляется возможность работы с расплавленными фазами, которые будут плавится в результате тепловой энергии, излучаемой наночастицами.

Биологи также предсказывают большое будущее применению новых фототермических технологий. Многие биологи применяют наночастицы в качестве маркеров. Такие маркеры могут быть связаны с биологически активными молекулами или клеточными органеллами, их перемещение, как по клетке, так и по всему организму может быть отслежено, однако для этого необходим простой метод наблюдения. Исследователи из Лейпцига настроили лазер таким образом, что наночастица периодически «бликует», как своеобразный маяк. Новый метод позволяет видеть наночастицы даже на фоне существующего шума, такой подход может стать альтернативой существующих методов визуализации биомаркеров.

Еще одна область применения результатов исследования немецких ученых заключается в том, что подтвержденная экспериментами теория может стать основой для количественного анализа всех экспериментов, в которых частицы управляются светом.

Крой подчеркивает, что, хотя оптический пинцет уже является незаменимым инструментом для многих экспериментов в области нанотехнологии, для точного контроля этой методики необходимо понимать особенности движения частиц.

По материалам: