物理学家发现可测量微小螺旋扭曲的新光学特性

巴斯大学物理学家领导的一个国际科学家小组发现了微小颗粒的一种新的非线性光学特性，这对从事显示技术、化学催化和医学等不同领域研究的人员具有重要意义。

当光线穿过与光波长大小相似的微小颗粒时，会产生与光照颜色不同的散射，从而显示出这种新特性。这种散射光具有 "二次谐波频率"，也就是说，它的频率是照明光的两倍。

这项发表在《ACS Nano》上的研究旨在探索廷德尔效应，即比纳米粒子大但比微粒小的粒子的光散射现象。这种大小的粒子包括病毒和细菌等单细胞生物体。

图片:discovery-of-a-new-opt.jpg

当用白光照射时，这类微粒会呈现蓝色（蓝眼睛的颜色也归功于廷德尔效应）。

二次谐波廷德尔散射

分散在液体中的无机微粒有许多用途，包括为涂料和塑料添加颜色、防紫外线霜（氧化锌和二氧化钛散射紫外线，但允许可见光通过）、催化（加速或促进化学反应）和医学治疗（例如封装药物并将其输送到靶点；选择性切割 DNA 和杀死病毒）。

对于所有这些应用，研究人员都必须准确、实时地确定颗粒的大小和形状。

光是对水中的微粒进行此类分析的最佳方法，而微粒通常就在水中。当颗粒受到光照时，它们的散射光会包含有关其大小和几何形状的信息。

有几种分析颗粒大小的方法依赖于廷德尔效应。大多数方法依赖于弱光源（通常是灯），收集到的散射光与照明的颜色相同。其他更复杂的方法则依赖于激光光源。这项新研究将科学家们对激光散射光的理解提升到了一个新的高度。

领导巴斯团队和这项研究的Ventsislav Valev教授解释说："在廷德尔实验中使用长光波激光时，可以产生不同颜色的光--短光波，然后进行散射。新的颜色相当于照明光振动的两倍。这一发现是 1965 年在福特汽车公司的实验室里发现的，适用于各种大小的粒子。但是，如果粒子的大小符合廷德尔效应的范围，那么照明光和新产生的光就能在空间中更好地分离。基本上，廷德尔效应会根据光波的大小进行分类。但有一种几何特性直到现在这项新研究才得以观察到：手性！"

扭曲的分子

手性是几乎所有长度尺度上的基本几何特性。在人类和其他生物体中，所有功能氨基酸都具有手性，糖、蛋白质等也是如此。手性表现为分子的扭转方向（顺时针或逆时针），类似于 DNA 螺旋的扭转。

在这项新研究中，来自美国的研究小组成员制作了长度约为270纳米的硅螺旋，其大小与某些病毒、大型外泌体和噬菌体相当。

瓦列夫教授说："我们发现，当我们用手性（或圆偏振）激光照射这些螺旋时，散射光可以告诉我们硅螺旋的缠绕方向。这很重要的一个原因是，硅是地球上最丰富的固体元素，因此每一种新特性都具有可持续和具有成本效益的应用潜力。另一个原因是，测量扭转（手性）对于用纳米技术构件组装无机材料非常必要。其重要性类似于制造和测量标准螺丝的螺纹。"

展望未来，Valev教授说："现在我们已经有了水中单螺旋特性的基线，下一阶段就是开始修改它们，并最终将它们构建成自组装材料。

该研究论文的第一作者、博士生Ben Olohan说："这里的关键是，生物过程从分子延伸到细胞组装，甚至更远。与廷德尔散射的长度尺度相比，在更小和更大的粒子上都观察到了类似的效应。因此，这种中间长度尺度效应一定存在，但却一直未被观测到。这就是为什么我一直在努力寻找它的证明。对于我的博士项目来说，能够找到科学中这样一个'缺失的环节'，我感到非常满足"。

相关链接：https://phys.org/news/2024-06-physicists-optical-property-tiny-helices.html