Fysikere sporer massen og temperaturen af ​​en leviteret nanopartikel – Physics World

Fysikere sporer massen og temperaturen af ​​en leviteret nanopartikel – Physics World

Tidsstempel: 31. juli 2023 kl. 6

Foto af en silicananopartikel, der svæver i et vakuumsystem. Nanopartiklerne ligner en lillebitte grøn prik mellem to meget større skinnende metalgenstande
Inde i det eksperimentelle instrument: En silica-nanopartikel, der svæver i et vakuum, belyses af en grøn laserstråle. Høflighed: Y Zheng

Fysikere i Kina har udviklet en teknik til samtidig måling af massen og temperaturen af ​​en enkelt nanopartikel. Teknikken, som involverer at levitere nanopartiklerne i en optisk fælde, påføre en sinusformet elektrostatisk kraft på den og analysere dens efterfølgende bane, vil hjælpe forskerne med at bestemme, hvordan nanopartiklernes egenskaber ændrer sig som reaktion på ændringer i temperatur.

Nanopartikler findes i en lang række produkter, herunder kosmetik, maling, fødevarer og lægemidler. For at optimere deres ydeevne i disse forskellige applikationer er det vigtigt at karakterisere og kontrollere deres egenskaber, men de nuværende metoder til at gøre dette har betydelige begrænsninger.

Massen af ​​en nanopartikel, for eksempel, er normalt estimeret baseret på densitetsdata og partikelstørrelsesanalyser. Værdierne opnået ved hjælp af denne tilgang er dog ikke særlig nøjagtige, og metoden giver ikke information om de enkelte nanopartiklers egenskaber eller forskellene mellem dem.

I de senere år har forskere udviklet adskillige teknikker, der sigter mod at forbedre disse skøn. Af disse teknikker er skemaer, der er afhængige af optisk levitation, blandt de mest lovende. I en typisk levitationsopsætning bruges et kalibreret optisk felt som reference til at udlede massen af ​​en partikel ned til femtogrammet (10-18 kg) rækkevidde. Selv denne forbedrede teknik giver dog ingen information om, hvordan en nanopartikels masse varierer med temperaturen – en vigtig parameter, da massen af ​​de fleste materialer ændrer sig, når deres temperatur stiger.

En referenceskala

Fysikere ved Kinas universitet for videnskab og teknologi har nu vist, at de kan spore variationer i masse, massecentertemperatur og andre egenskaber af en 165-nm diameter silicapartikel ved at bruge en kendt AC-drivkraft som referenceskala. Deres teknik bygger på det faktum, at partiklens ladning og det elektriske felt er kalibreret ved den position, hvor partiklen svæver i en optisk potentialfælde. Denne tilgang gør det muligt at bestemme den præcise størrelse af den elektriske kraft, der virker på partiklen.

"Partikelmassen opnås derefter ved at analysere partiklens bane, når den udsættes for den kendte elektriske feltkraft," forklarer teammedlem Yu Zheng. »Partikeltemperaturen bestemmes ved hjælp af den således beregnede masse og en termisk bevægelsesskala. Denne skala er styret af ekvipartitionssætningen, som i klassisk statistisk mekanik relaterer temperaturen af ​​et system til dets samlede energi."

Ved hjælp af denne teknik kunne forskerne observere et pludseligt tab af nanopartiklernes masse, når lufttrykket falder under et vist punkt. Dette fænomen kan ikke forklares med den simple virkning af vandmolekyler, der desorberer fra nanopartiklernes overflader og kan derfor ikke observeres af konventionelle desorptionsanalyseværktøjer, såsom termisk desorptionsspektrometri.

Forskerne planlægger nu at tilføje en varmelaser til deres opsætning, så de kan styre opvarmningen af ​​de svævende nanopartikler mere præcist. "Dette vil gøre os i stand til termogravimetrisk at analysere individuelle partikler," fortæller Zheng Fysik verden. "Faktisk har foreløbige resultater fra vores undersøgelse allerede vist, at variationerne i massen af ​​en individuel nanopartikel med temperatur afslører nuanceret information, som konventionelle termogravimetriske analyser ikke kan fange."

Nærværende undersøgelse er detaljeret i Kinesisk fysik B.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden