巴斯大學物理學家領導的一個國際科學家小組發(fā)現(xiàn)了微小顆粒的一種新的非線性光學特性，這對從事顯示技術、化學催化和醫(yī)學等不同領域研究的人員具有重要意義。

當光線穿過與光波長大小相似的微小顆粒時，會產(chǎn)生與光照顏色不同的散射，從而顯示出這種新特性。這種散射光具有 "二次諧波頻率"，也就是說，它的頻率是照明光的兩倍。

這項發(fā)表在《ACS Nano》上的研究旨在探索廷德爾效應，即比納米粒子大但比微粒小的粒子的光散射現(xiàn)象。這種大小的粒子包括病毒和細菌等單細胞生物體。

圖片:discovery-of-a-new-opt.jpg

當用白光照射時，這類微粒會呈現(xiàn)藍色（藍眼睛的顏色也歸功于廷德爾效應）。

二次諧波廷德爾散射

分散在液體中的無機微粒有許多用途，包括為涂料和塑料添加顏色、防紫外線霜（氧化鋅和二氧化鈦散射紫外線，但允許可見光通過）、催化（加速或促進化學反應）和醫(yī)學治療（例如封裝藥物并將其輸送到靶點；選擇性切割 DNA 和殺死病毒）。

對于所有這些應用，研究人員都必須準確、實時地確定顆粒的大小和形狀。

光是對水中的微粒進行此類分析的最佳方法，而微粒通常就在水中。當顆粒受到光照時，它們的散射光會包含有關其大小和幾何形狀的信息。

有幾種分析顆粒大小的方法依賴于廷德爾效應。大多數(shù)方法依賴于弱光源（通常是燈），收集到的散射光與照明的顏色相同。其他更復雜的方法則依賴于激光光源。這項新研究將科學家們對激光散射光的理解提升到了一個新的高度。

領導巴斯團隊和這項研究的Ventsislav Valev教授解釋說："在廷德爾實驗中使用長光波激光時，可以產(chǎn)生不同顏色的光--短光波，然后進行散射。新的顏色相當于照明光振動的兩倍。這一發(fā)現(xiàn)是 1965 年在福特汽車公司的實驗室里發(fā)現(xiàn)的，適用于各種大小的粒子。但是，如果粒子的大小符合廷德爾效應的范圍，那么照明光和新產(chǎn)生的光就能在空間中更好地分離。基本上，廷德爾效應會根據(jù)光波的大小進行分類。但有一種幾何特性直到現(xiàn)在這項新研究才得以觀察到：手性！"

扭曲的分子

手性是幾乎所有長度尺度上的基本幾何特性。在人類和其他生物體中，所有功能氨基酸都具有手性，糖、蛋白質(zhì)等也是如此。手性表現(xiàn)為分子的扭轉(zhuǎn)方向（順時針或逆時針），類似于 DNA 螺旋的扭轉(zhuǎn)。

在這項新研究中，來自美國的研究小組成員制作了長度約為270納米的硅螺旋，其大小與某些病毒、大型外泌體和噬菌體相當。

瓦列夫教授說："我們發(fā)現(xiàn)，當我們用手性（或圓偏振）激光照射這些螺旋時，散射光可以告訴我們硅螺旋的纏繞方向。這很重要的一個原因是，硅是地球上最豐富的固體元素，因此每一種新特性都具有可持續(xù)和具有成本效益的應用潛力。另一個原因是，測量扭轉(zhuǎn)（手性）對于用納米技術構件組裝無機材料非常必要。其重要性類似于制造和測量標準螺絲的螺紋。"

展望未來，Valev教授說："現(xiàn)在我們已經(jīng)有了水中單螺旋特性的基線，下一階段就是開始修改它們，并最終將它們構建成自組裝材料。

該研究論文的第一作者、博士生Ben Olohan說："這里的關鍵是，生物過程從分子延伸到細胞組裝，甚至更遠。與廷德爾散射的長度尺度相比，在更小和更大的粒子上都觀察到了類似的效應。因此，這種中間長度尺度效應一定存在，但卻一直未被觀測到。這就是為什么我一直在努力尋找它的證明。對于我的博士項目來說，能夠找到科學中這樣一個'缺失的環(huán)節(jié)'，我感到非常滿足"。

相關鏈接：https://phys.org/news/2024-06-physicists-optical-property-tiny-helices.html