I fisici tracciano la massa e la temperatura di una nanoparticella levitata – Physics World

I fisici in Cina hanno sviluppato una tecnica per misurare simultaneamente la massa e la temperatura di una singola nanoparticella. La tecnica, che prevede la levitazione della nanoparticella in una trappola ottica, l'applicazione di una forza elettrostatica sinusoidale e l'analisi della sua successiva traiettoria, aiuterà gli scienziati a determinare come cambiano le proprietà delle nanoparticelle in risposta ai cambiamenti di temperatura.

Le nanoparticelle si trovano in una vasta gamma di prodotti, tra cui cosmetici, vernici, prodotti alimentari e prodotti farmaceutici. Per ottimizzare le loro prestazioni in queste diverse applicazioni, è essenziale caratterizzare e controllare le loro proprietà, ma i metodi attuali per farlo hanno limitazioni significative.

La massa di una nanoparticella, ad esempio, viene solitamente stimata sulla base di dati sulla densità e analisi delle dimensioni delle particelle. I valori ottenuti utilizzando questo approccio, tuttavia, non sono molto accurati e il metodo non fornisce informazioni sulle proprietà delle singole nanoparticelle o sulle differenze tra di esse.

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno sviluppato diverse tecniche che mirano a migliorare queste stime. Di queste tecniche, gli schemi che si basano sulla levitazione ottica sono tra i più promettenti. In una tipica configurazione di levitazione, un campo ottico calibrato viene utilizzato come riferimento per dedurre la massa di una particella fino al femtogramma (10 ^{all'18 ottobre} gamma kg). Anche questa tecnica migliorata, tuttavia, non fornisce alcuna informazione su come la massa di una nanoparticella varia con la temperatura, un parametro importante poiché la massa della maggior parte dei materiali cambia all'aumentare della loro temperatura.

Una scala di riferimento

Fisici al Università di Scienza e Tecnologia della Cina hanno ora dimostrato di poter tracciare le variazioni di massa, temperatura del centro di massa e altre proprietà di una particella di silice di 165 nm di diametro utilizzando una forza motrice CA nota come scala di riferimento. La loro tecnica si basa sul fatto che la carica della particella e il campo elettrico sono calibrati nella posizione in cui la particella viene fatta levitare in una trappola di potenziale ottico. Questo approccio consente di determinare con precisione l'entità della forza elettrica che agisce sulla particella.

"La massa della particella viene quindi ottenuta analizzando la traiettoria della particella quando è soggetta alla forza del campo elettrico nota", spiega un membro del team YuZheng. “La temperatura della particella viene determinata utilizzando la massa così calcolata e una scala di movimento termico. Questa scala è governata dal teorema di equipartizione, che nella meccanica statistica classica mette in relazione la temperatura di un sistema con la sua energia complessiva.

Utilizzando questa tecnica, i ricercatori sono stati in grado di osservare un'improvvisa perdita di massa della nanoparticella quando la pressione dell'aria scende al di sotto di un certo punto. Questo fenomeno non può essere spiegato dal semplice effetto del desorbimento delle molecole d'acqua dalle superfici delle nanoparticelle e quindi non può essere osservato dagli strumenti convenzionali di analisi del desorbimento, come la spettrometria di desorbimento termico.

Le nanoparticelle levitate dalla luce mostrano interazioni non reciproche

I ricercatori hanno ora in programma di aggiungere un laser riscaldante alla loro configurazione in modo da poter controllare il riscaldamento delle nanoparticelle levitate in modo più preciso. "Questo ci consentirà di analizzare termogravimetricamente le singole particelle", dice Zheng Mondo della fisica. «In effetti, i risultati preliminari del nostro studio hanno già dimostrato che le variazioni di massa di una singola nanoparticella con la temperatura rivelano informazioni sfumate che le analisi termogravimetriche convenzionali non riescono a catturare».

Il presente studio è dettagliato in Fisica cinese B.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/physicists-track-the-mass-and-temperature-of-a-levitated-nanoparticle/