به گزارش روز شنبه گروه علمی ایرنا از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، در مطالعه‌ای تازه که در نشریه Light: Science & Applications منتشر شده است، پژوهشگران موفق به توسعه روشی نوین برای تحلیل حرکت نانوذرات (NTA) شدند؛ روشی که بر پایه راهنمای موجی توخالی با مقطع مربعی (HCW) و متصل به فیبر نوری استاندارد بنا شده و با دقت بالا از طریق فناوری نانوچاپ سه‌بعدی تولید شده است.
این سامانه نوآورانه که با بهره‌گیری از چاپ نانومقیاس و اتصال مستقیم به فیبر نوری طراحی شده، گامی مهم در جهت ارتقای دقت و پایداری اندازه‌گیری نانوذرات به‌شمار می‌آید و پتانسیل گسترده‌ای برای استفاده در علوم زیستی، حسگرهای زیست‌محیطی و فناوری‌های نوپدید کوانتومی دارد.
چرا از راهنمای موجی توخالی استفاده شده است؟ راهنماهای موجی توخالی با هدایت نور از طریق یک ناحیه خالی و احاطه شده با لایه‌ای ساختاریافته، امکان تعامل قوی‌تر نور با ماده را فراهم می‌کنند. این ویژگی به‌ویژه برای اندازه‌گیری نانوذرات در محیط‌هایی با ضریب شکست پایین نظیر آب، بسیار ارزشمند است؛ جایی که راهنماهای موجی سنتی کارایی لازم را ندارند.
در این میان، نوع خاصی از این راهنماها موسوم به ARROW (راهنمای موجی بازتابی ضدرزونانسی) به دلیل هم‌پوشانی بالای نور هدایت‌شده با محیط اطراف، امکان تحلیل دقیق‌تری بر مبنای قانون بیر-لامبرت فراهم می‌آورد.
اتصال این نوع راهنماها به فیبرهای نوری رایج، نیاز به سیستم‌های اپتیکی بزرگ و پیچیده را برطرف می‌کند و یک ابزار جمع‌وجور و قابل‌حمل را در اختیار محققان قرار می‌دهد. همچنین، پیشرفت‌های اخیر در فناوری نانوچاپ سه‌بعدی امکان ساخت ساختارهای موجی با دقت زیرمیکرونی را فراهم کرده که برای کاربردهای پیشرفته در زیست‌حسگری، اپتیک غیرخطی و فوتونیک کوانتومی بسیار حیاتی است.
در این پژوهش، تیم تحقیقاتی از روش نوشتار مستقیم با لیزر بهره برده و با استفاده از فوتورزیست IP-DIP۲ و چاپگر نانویی تجاری، ساختار راهنمای موجی را به‌صورت یکپارچه روی سطح انتهایی فیبرهای نگهدارنده قطبش (PMF) چاپ کرده‌اند.
طراحی دقیق، هم‌راستاسازی بهینه و هدایت نور به روش ضد رزونانسی باعث کاهش خطاهای ساخت و بهینه‌سازی عملکرد دستگاه شده است.
برای بررسی عملکرد دستگاه، از شبیه‌سازی المان محدود (FEM) جهت تحلیل بهره‌وری جفت‌شدگی مود، توزیع شدت نور و تلفات در محیط‌های هوایی و آبی استفاده شده است. همچنین، آزمایش‌هایی با کمک طیف‌سنج، دوربین، منبع نور پهن‌باند و ابزارهای کنترل قطبش انجام شده تا عملکرد واقعی دستگاه مورد ارزیابی قرار گیرد.
در ادامه، نانوذرات طلای ۵۰ و ۱۰۰ نانومتری درون کانال توخالی این راهنمای موجی تزریق شده و با کمک لیزر پیوسته، اپتیک‌های جفت‌شده و میکروسکوپ پر سرعت، حرکت براونی ذرات در لحظه ثبت شده است.
نتایج نشان داد که این سامانه نوین، دقت بالایی در اندازه‌گیری ابعاد نانوذرات ارائه می‌دهد. میانگین قطر هیدرودینامیکی به‌دست‌آمده از داده‌ها، با مقادیر واقعی مطابقت بالایی داشت. استفاده از فیبر تک‌مد قطبش‌نگهدار و استقرار عمودی غشای پلیمری نسبت به محور میکروسکوپ، باعث ثبت پایدارتر تصویر و یکنواختی تابش نور شد که امکان ره‌گیری طولانی‌مدت نانوذرات را بدون اعوجاج فراهم کرد.
بازده جفت‌شدگی بین فیبر نوری و مودهای راهنمای موجی، در شرایط تطابق قطبش، بیش از ۷۰ درصد بود و تلفات نوری بین ۱ تا ۲ دسی‌بل در هر ۱۰۰ میکرون گزارش شد؛ مقداری که با توجه به پیچیدگی ساختار قابل‌قبول است.
در حین اجرای NTA، راهنمای موجی در محفظه‌ای حاوی محلول نانوذرات قرار گرفت و بیش از ۱۰۰ مسیر حرکتی نانوذره به‌صورت بلادرنگ تصویربرداری شد. تحلیل آماری با استفاده از جابه‌جایی میانگین مربعی (MSD)، تطابق خوبی با نتایج روش DLS (پراکندگی نور دینامیکی) داشت که دقت و قابلیت اعتماد سیستم را تایید می‌کند.
این دستاورد علمی، افق‌های جدیدی را در حوزه‌های گوناگون می‌گشاید. در زیست‌تحلیل و علوم پزشکی، این سامانه می‌تواند برای شناسایی دقیق نانوذرات در کاربردهای تشخیصی، پایش دارورسانی هدفمند و بررسی تعاملات سلولی به‌کار گرفته شود.
در حوزه محیط‌زیست، امکان شناسایی آلاینده‌ها در غلظت‌های بسیار پایین فراهم می‌شود که گامی مهم در جهت پایش و کنترل دقیق‌تر آلودگی‌هاست. همچنین، اتصال این راهنماهای نوری به فیبرهای استاندارد، بستر مناسبی برای طراحی ابزارهای قابل‌حمل و کاربرد میدانی در حسگرهای کوانتومی، ریزسیالات، طیف‌سنجی مادون‌قرمز و اپتیک پیشرفته فراهم می‌کند.
