Découvrir la dynamique cachée des structures photoniques naturelles à l’aide de l’imagerie holographique

Résumé

L’article se concentre principalement sur la puissance combinée des méthodes optiques (linéaires et non linéaires) et holographiques utilisées pour révéler des phénomènes à l’échelle nanométrique. Les résultats obtenus à partir des études sur les réactions chimiques biophotoniques et oscillatoires sont donnés à titre d’exemples représentatifs, soulignant la capacité de l’holographie à révéler la dynamique à l’échelle nanométrique.

Résumé

Dans cette méthode, le potentiel de l’optique et de l’holographie pour découvrir les détails cachés de la réponse dynamique d’un système naturel à l’échelle nanométrique est exploité. Dans la première partie, les études optiques et holographiques des structures photoniques naturelles sont présentées ainsi que les conditions d’apparition de l’effet photophorétique, à savoir le déplacement ou la déformation d’une nanostructure due à un gradient thermique induit par la lumière, à l’échelle nanométrique. Cet effet est révélé par l’interférométrie holographique numérique en temps réel surveillant la déformation des écailles recouvrant les ailes des insectes induite par la température. Le lien entre la géométrie et la nanocordation qui conduit à l’émergence de l’effet photophorétique est démontré expérimentalement et confirmé. Dans la deuxième partie, il est montré comment l’holographie peut être potentiellement utilisée pour découvrir des détails cachés dans le système chimique avec une dynamique non linéaire, comme le phénomène de transition de phase qui se produit dans la réaction oscillatoire complexe de Briggs-Rauscher (BR). Le potentiel présenté de l’holographie à l’échelle nanométrique pourrait ouvrir d’énormes possibilités pour contrôler et mouler l’effet photophorétique et la formation de motifs pour diverses applications telles que le piégeage et la lévitation des particules, y compris le mouvement des hydrocarbures imbrûlés dans l’atmosphère et la séparation de différents aérosols, la décomposition des microplastiques et le fractionnement des particules en général, et l’évaluation de la température et de la conductivité thermique des particules de combustible de la taille d’un micron.

Introduction

Pour bien comprendre et remarquer tous les phénomènes uniques dans le nanomonde, il est crucial d’utiliser des techniques capables de révéler tous les détails concernant les structures et la dynamique à l’échelle nanométrique. Sur ce compte, la combinaison unique de méthodes linéaires et non linéaires, combinée à la puissance de l’holographie pour révéler la dynamique du système à l’échelle nanométrique sont présentées.

La technique holographique décrite peut être considérée comme la méthode triple rec (rec est l’abréviation de l’enregistrement), car à un moment donné, le signal est simultanément enregistré par une cam....

Protocole

1. Précaractérisation

1. Effectuer une précaractérisation complète de l’échantillon.
   1. Effectuer toutes les expériences sur des spécimens secs achetés auprès d’une source commerciale. Conservez les échantillons en laboratoire, dans un endroit sec et sombre, à température ambiante.
   2. Avant les mesures holographiques, effectuez une caractérisation complète de l’échantillon au microscope électronique à balayage (MEB), à la spectroscopie optique linéaire et à la microscopie optique non linéaire (NOM)¹⁰ (Figure 1).
   3. En plus des propriétés optiques des échantillons mesurés....

Résultats

Un effet photophorétique a été induit et surveillé lors d’une première expérience sur l’aile d’un papillon Morpho menelaus ⁵. L’effet a été initié par l’action de lasers LED de différentes longueurs d’onde (450 nm, 532 nm, 660 nm et 980 nm). Ici, les ailes d’un papillon I. lathonia ¹⁴ ont été utilisées. Après la procédure d’enregistrement, l’image hologramme a été reconstruite.

Discussion

Dans l’étude biophotonique présentée, il est montré qu’une nouvelle méthode holographique peut être utilisée pour détecter un déplacement morphologique minimal ou une déformation causée par un rayonnement thermique de faible niveau.

L’étape la plus critique de la mesure holographique avec des échantillons biologiques est l’étape de préparation. La préparation de l’échantillon (découpe/collage pour correspondre à la taille du support) dépend des propriétés mécan.......

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Active Vibration Isolation, Four Optical Table Supports	Thorlabs	PTR502	High Load Capacity: 2,500 kg, Height 600 mm
Cuvette			Standard glass cuvette
Holographic camera (optical camera for holography)	Cannon	EOS 50D	Sensor Size 22.3 x 14.9 mm; Pixel pitch 4.69 µm; Max. resolution 4752 x 3168; JPEG file format
Hydrogen peroxide, H2O2	Merck (Darmstadt, Germany)
Laser	Laser Quantum	Torus 532 laser	Wavelength 532 nm; Power 390 mW; Coherence length 10 m
LED lasers
Malonic acid, C3H4O4	Acrs Organics (Geel, Belgium)
Manganese sulphate,  MnSO4	Fluka (Buchs, Switzerlend)
Nonlinear optical microscope	IPB
Optical accessories	Thorlab
Optical spectroscope
Optical table	Thorlabs	TOP450II PTR52509	dimensions 2000*1250*310 mm
Perchloric acid, HClO4	Merck (Darmstadt, Germany)
Potassium iodate, KIO3	Merck (Darmstadt, Germany)
Software			Home-build software made by one of the authors: Dusan Grujic. This software was conducted in partial fulfillment of the requirements for the PhD deegree of D.G.
Thermal camera	Flir	A65	640x512 pixel; Thermal resolution 50 mK
Video camera	Nikon	1v3	18.4 Mpixel; 60 fps