Ловушка для микрочастиц: как одним устройством измерить четыре характеристики
Микрочастицы — объекты размером от долей до нескольких микрометров, которые составляют различные материалы, жидкости, газы, а также живые организмы. Изучение свойств микрочастиц имеет большое значение для физики, химии, биологии, медицины и других областей науки. Однако измерение характеристик таких маленьких объектов представляет собой сложную задачу, которая требует специальных методов и устройств.
Существуют разные способы определения размера, массы, заряда и плотности микрочастиц. Например, для измерения размера можно использовать микроскопию или дифракцию света, для измерения массы — масс-спектрометрию или кантилеверный метод, для измерения плотности — пикнометрию или гидродинамическую хроматографию. Однако эти методы имеют свои недостатки: они требуют сложной калибровки оборудования, работают только с определенными типами частиц (органическими или неорганическими), повреждают частицы в процессе измерения или уничтожают их после измерения.
Ученые из Университета ИТМО предложили новый подход для одновременного определения четырех основных характеристик микрочастиц: размера, массы, заряда и плотности. Для этого они использовали электродинамическую ловушку — устройство, которое создает переменное электрическое поле вокруг заряженной частицы и заставляет ее двигаться по определенной траектории. Анализируя форму этой траектории с помощью лазера и камеры, можно вычислить физические свойства частицы.
Электродинамическая ловушка состоит из четырех электродов, подключенных к переменному напряжению. Когда заряженная частица попадает в ловушку, она начинает колебаться вдоль осей X и Y под воздействием электрического поля. Если амплитуда напряжения достаточно велика, то частица выходит из состояния равновесия и начинает двигаться по ромбовидной орбите. Вершины этого ромба соответствуют точкам, из которых в ловушку подается электрическое поле.
Чтобы отслеживать положение частицы в ловушке, ученые освещали ее лазерным лучом, а высокоскоростная камера фиксировала рассеяние лазерного света. Это позволило исследователям анализировать положение частицы в каждый момент времени. Из полученных данных ученые рассчитали математические коэффициенты, которые позволили определить четыре характеристики частицы: массу, размер, заряд и плотность.
— Дмитрий Щербинин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО.
Ученые проверили свой метод на 35 кварцевых микрочастицах разного размера и заряда. Они сравнили свои результаты с данными, полученными другими широко используемыми методами, такими как микроскопия, спектроскопия, масс-спектрометрия и др., чтобы оценить точность используемого подхода. Оказалось, что погрешность определения массы составила около 10%, а размера и заряда — около 16%, а плотности — около 18%. Такая точность измерений сопоставима с другими существующими на сегодня методами.
Этот метод позволяет измерять характеристики микрочастиц с высокой точностью и скоростью, не уступая другим существующим подходам. Кроме того, он имеет ряд преимуществ: не требует сложной калибровки оборудования, работает с любыми типами частиц (органическими или неорганическими), не повреждает частицы в процессе измерения. Этот метод может быть использован для исследования нано- и микроструктур различных материалов, а также для диагностики вирусов и бактерий.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Powder Technology.
Существуют разные способы определения размера, массы, заряда и плотности микрочастиц. Например, для измерения размера можно использовать микроскопию или дифракцию света, для измерения массы — масс-спектрометрию или кантилеверный метод, для измерения плотности — пикнометрию или гидродинамическую хроматографию. Однако эти методы имеют свои недостатки: они требуют сложной калибровки оборудования, работают только с определенными типами частиц (органическими или неорганическими), повреждают частицы в процессе измерения или уничтожают их после измерения.
Ученые из Университета ИТМО предложили новый подход для одновременного определения четырех основных характеристик микрочастиц: размера, массы, заряда и плотности. Для этого они использовали электродинамическую ловушку — устройство, которое создает переменное электрическое поле вокруг заряженной частицы и заставляет ее двигаться по определенной траектории. Анализируя форму этой траектории с помощью лазера и камеры, можно вычислить физические свойства частицы.
Электродинамическая ловушка состоит из четырех электродов, подключенных к переменному напряжению. Когда заряженная частица попадает в ловушку, она начинает колебаться вдоль осей X и Y под воздействием электрического поля. Если амплитуда напряжения достаточно велика, то частица выходит из состояния равновесия и начинает двигаться по ромбовидной орбите. Вершины этого ромба соответствуют точкам, из которых в ловушку подается электрическое поле.
Чтобы отслеживать положение частицы в ловушке, ученые освещали ее лазерным лучом, а высокоскоростная камера фиксировала рассеяние лазерного света. Это позволило исследователям анализировать положение частицы в каждый момент времени. Из полученных данных ученые рассчитали математические коэффициенты, которые позволили определить четыре характеристики частицы: массу, размер, заряд и плотность.
Предложенный метод позволяет неразрушающим способом охарактеризовать отдельные микрочастицы, например, входящие в состав различных промышленно важных материалов. Кроме того, этот подход не требует дорогостоящего оборудования, а его точность сопоставима с существующими стандартными экспериментальными методиками. В связи с этим данный подход может использоваться в аналитической химии, материаловедении, биологии и медицине для анализа различных материалов и живых микроскопических объектов. В дальнейшем мы планируем применить полученный подход для определения параметров наночастиц, локализованных в радиочастотных ловушках
— Дмитрий Щербинин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО.
Ученые проверили свой метод на 35 кварцевых микрочастицах разного размера и заряда. Они сравнили свои результаты с данными, полученными другими широко используемыми методами, такими как микроскопия, спектроскопия, масс-спектрометрия и др., чтобы оценить точность используемого подхода. Оказалось, что погрешность определения массы составила около 10%, а размера и заряда — около 16%, а плотности — около 18%. Такая точность измерений сопоставима с другими существующими на сегодня методами.
Этот метод позволяет измерять характеристики микрочастиц с высокой точностью и скоростью, не уступая другим существующим подходам. Кроме того, он имеет ряд преимуществ: не требует сложной калибровки оборудования, работает с любыми типами частиц (органическими или неорганическими), не повреждает частицы в процессе измерения. Этот метод может быть использован для исследования нано- и микроструктур различных материалов, а также для диагностики вирусов и бактерий.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Powder Technology.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Радиационная «бомба замедленного действия» обнаружена в Чернобыле: и они до сих пор готова «взрываться»
Новые опыты покажут, каким будет зона отчуждения для следующих поколений...
Почти детективная история: в Ленобласти обнаружен самый большой клад серебра за всю историю
Среди находок две уникальные монеты, которых всего четыре в мире, включая, а также языческие вороны Одина… среди православных крестов...
Главный поджигатель в истории Австралии: почему ученые обвиняют капитана Джеймса Кука в постоянных мегапожарах на Зеленом континенте?
Воскрешение традиции, которую сломали британские колонизаторы, поможет «потушить» Пылающую Австралию...
Тайна Мертвого моря: что «кипятит» водоем изнутри, рассказали ученые
Оказалось, что в кристалликах соли скрыта история прошедших эпох...
Искусственный интеллект «ненавидит»… белых мужчин: новое исследование еще раз подтвердило западный тренд
Появление нейросетей значительно ухудшило положение одной из групп белого населения в Америке и Европе...
100-летняя страшная история с черепами у древнеегипетских гробниц наконец-то прояснилась
Неожиданно оказалось, что человеческие жертвоприношения 5000 лет назад совершались совсем не так, как описано в древних табличках...
Аура цвета индиго: как появился этот феномен и кем в итоге стали уникальные дети
Их называли будущим человечества, но чуда не случилось. Разбираемся, почему так произошло...
Секрет марсианского «невозможного» облака-призрака наконец-то разгадан
Как оказалось, на Красной планете работает физика, которая на Земле считалась чистой теорией...
Шуховскую башню в Москве начали разбирать: почему правнук великого русского инженера против такой «реконструкции»?
Где главный промах московских властей и чем восстановление отличается реконструкции?...
Таинственные траншеи в Австралии помогут открыть скрытые пещеры на Марсе
Равнина, которая 14 миллионов лет без воды, подсказала ученым, как расшифровывать фотографии с Красной планеты...
Пустая еда: почему за 60 лет наши продукты потеряли половину полезных веществ и микроэлементов
По словам исследователей, мир находится в состоянии скрытого голода: калорий, вроде бы, хватает, а витаминов и минералов нет...
Крестик XII века показал, настолько ученые ошибались в истории древнего Смоленска
Скромный артефакт из редкого материала оказался для археологов дороже серебряного клада...
«Мясной фарш» для Гитлера: как виртуозная операция в 1943 году решила ход битвы за Италию
Дерзко, остроумно и с огромной долей везения: британский план висел на волоске, но Лондону помогли… сами немцы...