All work performed under the support of the National Institute of Standards and Technology. Certain commercial equipment, instruments, or materials are identified to foster understanding of this protocol. Such identification does not imply recommendation or endorsement by the National Institute of Standards and Technology, nor does it imply that the materials or equipment identified are necessarily the best available for the purpose.

Attention: S&#39;il vous plaît consulter tous les programmes de sécurité applicables avant l&#39;expérience. Toutes les procédures expérimentales décrites dans ce protocole sont effectuées en conformité avec le programme de sécurité LASER NIST ainsi que d&#39;autres règlements applicables. S&#39;il vous plaît assurez-vous de choisir et porter un équipement de protection individuelle (EPI) tels que des lunettes de protection laser conçus pour la longueur d&#39;onde et de puissance spécifique. Manipulation nano sec / microparticules peut nécessiter une protection respiratoire supplémentaire. 1. Conception et fabrication d&#39;un porteur de PZT et un boîtier échantillon <ol><li> Concevoir un porte-PZT et une enceinte de l&#39; échantillon REMARQUE: Les valeurs de conception particulières varient en fonction de la sélection d&#39;un PZT. <ol><li> Ouvrez le logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO). Dessinez un à deux dimensions (2D) esquisse d&#39;un support pour une dimension de PZT donné. Développer l&#39;esquisse 2D à des caractéristiques volumétriques en utilisant des combinaisons de Extrusion / Extrusion-cut. </li><li> Cliquez sur Sketch,dessiner un rectangle et l&#39;extruder pour faire un cube rectangulaire. </li><li> Dessinez un disque sur la surface supérieure du cube pour définir une fonction encastrée circulairement pour couvrir et tenir le PZT de type annulaire. </li><li> Définir un trou central pour avoir un accès optique à la fois pour l&#39;imagerie en temps réel et le piégeage. </li><li> Définir un guide circulaire le long du bord du trou central pour insérer une bague métallique plate (cuivre) pour concentrer l&#39;énergie ultrasonore vers la zone centrale , comme indiqué sur la figure 2a. </li><li> Créer deux perçages pour vis M6 sur le support de PZT à assembler avec une plaque de fond (acheté, 4 mm d&#39; épaisseur plaque d&#39;aluminium fond avec un trou au centre), comme le montre la figure 2c et 2d. </li><li> D&#39;une manière similaire, la conception d&#39;un cadre rectangulaire de l&#39;enceinte de l&#39;échantillon. Cliquez sur Sketch, et dessiner un rectangle, extruder le rectangle pour en faire une boîte rectangulaire. </li><li> Dessinez un rectangle plus petit sur la surface supérieure de la rectangulaboîte de r et extruder-coupent le rectangle pour faire comme un tube rectangulaire. </li><li> Dessinez un rectangle plus petit sur la paroi latérale du tube et Extrusion-cut pour le transformer dans le cadre de la boîte de l&#39;enceinte de l&#39;échantillon. </li><li> Convertissez ces (3D) des modèles en trois dimensions dans un format stéréolithographie (STL) de fichier pour un procédé d&#39;impression 3D (Figure 2b). </li></ol></li><li> Impression 3D des objets conçus <ol><li> Ouvrez le fichier de conception ( &quot;de -.STL&quot;) à partir du logiciel d&#39;exploitation de l&#39;imprimante 3D. Couchez l&#39;objet plat centre 0 / .et l&#39;objet sur (0, 0, 0) en cliquant sur l&#39;objet pour le sélectionner et utiliser les fonctions d&#39;alignement: &quot;Move&quot;, &quot;Sur la plate-forme&quot;, et &quot;Centre&quot;. Orientez le porte-PZT pour faire face aux traits délicats vers le haut. La surface évidée sera face vers le haut. </li><li> Dans le menu aller dans les &quot;Paramètres&quot; et l&#39;onglet &quot;Qualité&quot;. Définissez les valeurs d&#39;impression de la manière suivante, Infill: 100%, Nombre de coquilles: 2, et la hauteur de la couche: 0,2mm. </li><li> Aperçu des objets pour vérifier le temps d&#39;impression totale et assurez-vous que les objets en couches seront imprimées comme souhaité. Exporter le fichier d&#39;impression 3D dans un format &quot;.x3g&quot; et enregistrez-le à utiliser dans l&#39;imprimante 3D. </li><li> Allumez l&#39;imprimante 3D et chauffer jusqu&#39;à ce que la température de la buse d&#39;extrusion atteint une température de fonctionnement, 230 ° C Charger le fichier de conception à partir d&#39; une carte mémoire ou un lecteur réseau. </li><li> Pendant l&#39;échauffement, placer la plate-forme de construction avec le ruban bleu pour peintres pour aider les objets adhèrent en toute sécurité. En tant que matériau thermoplastique pour le travail d&#39;impression, utiliser un acide polylactique (PLA) filament pour les deux objets. </li><li> Imprimer les objets conçus. Une fois le travail d&#39;impression est terminée, éteignez l&#39;imprimante après qu&#39;il a refroidi. </li><li> Détacher l&#39;objet imprimé à partir de la plate-forme à l&#39;aide d&#39;un ciseau. Redressez les objets imprimés. Si l&#39;orientation est choisie de manière appropriée, le support de PZT peut être directement utilisé sans autre post-traitement. </li><li> for l&#39;enceinte de l&#39;échantillon, préparer une paire d&#39;oxyde d&#39;indium-étain (ITO) et des lamelles revêtues trois lamelles de verre pour couvrir le cadre. Utilisez un coupe de diamant pour adapter la lamelle à l&#39;enceinte. </li><li> Relier les deux plaques conductrices parallèles, au moyen d&#39;un séchage rapide de la peinture d&#39;argent pour fournir une tension à travers deux plaques. Collez ces cinq fenêtres sur l&#39;enceinte de l&#39;échantillon à l&#39;aide d&#39;un adhésif colle instantanée. NOTE: L&#39;une paire de lamelles recouvertes d&#39;ITO sont installés sur l&#39;enceinte échantillon en parallèle (en regard de l&#39;autre) pour obtenir un champ électrique uniforme et pour engendrer le mouvement de la particule balistique naturellement chargée le long du champ électrique. Les trois lamelle conventionnelle couvre le reste des surfaces de l&#39;échantillon de l&#39;enceinte (en haut et deux autres côtés) pour protéger la particule piégée dans le flux d&#39;air extérieur </li></ol></li></ol> 2. Piège optique Chargement d&#39;un microparticule sélectionné <ol><li> La préparation des échantillons <ol><li> Stocker les microparticules dans undessiccateur évacués afin de réduire le contact avec l&#39;humidité dans l&#39;air avant l&#39;expérience. </li><li> Versez une petite partie des microparticules sur une lame de verre et de mettre immédiatement la bouteille de la fabrication de retour dans le dessiccateur. </li><li> Ramasser une partie des microparticules ayant un tube capillaire en verre. Disperser les particules sur le substrat en tapotant doucement sur le capillaire tout en maintenant le capillaire sur la lamelle. </li><li> Vérifiez la quantité et la distribution des particules déposées sur le substrat en utilisant un microscope à fond noir. Remarque: dans l&#39;étape de préparation de l&#39;échantillon, la particule est simplement dispersé sur une lamelle couvre-objet et imagé avec un microscope optique pour vérifier l&#39;agencement d&#39;ensemble avant de les insérer (une lamelle couvre-objet avec des microparticules dispersées) entre le support de PZT et PZT. Depuis l&#39;adhésion de surface est suffisamment solide pour supporter des microparticules individuelles sur le substrat, les particules collées sont solidement fixés, sauf si une force externe importante est appliquée. </li></ol&gt; </li><li> Assemblage du lanceur piézoélectriques <ol><li> Obtenir tous les composants du lanceur piézo-électrique: la plaque de fond plat, film, le PZT, la lamelle de verre, un anneau de cuivre, le porte-PZT, deux vis M6, et l&#39;enceinte de l&#39;échantillon d&#39;isolation. </li><li> Appliquer une couche mince (ou bande) sur la plaque de fond pour isoler le PZT. La lamelle de verre isole la partie supérieure de la pile. </li><li> Assembler la pile en centrant le PZT sur le dessus de la plaque plane maintenant isolée avec du ruban adhésif, suivie par la lamelle, l&#39;anneau de cuivre, et le porte-PZT. Vissez la pile ainsi que le maintien du centrage du PZT pour éviter un court - circuit du PZT au titulaire si le titulaire procède comme le montre la figure 2c et 2d. L&#39;anneau de cuivre fournit une précharge mécanique répartie uniformément sur la pile pour les détenteurs de PZT en plastique. </li><li> Enfin, collez l&#39;enceinte de l&#39;échantillon sur la pile et monter l&#39;ensemble sur une scène de translation XYZ dans le microscope. </li></ol></li><li> Configuration du lanceur PZT NOTE: La conduite du PZT avec un signal à haute tension a des risques électriques potentiels. S&#39;il vous plaît consulter le personnel de sécurité avant l&#39;expérience. Toutes les connexions électriques doivent être fixés avant l&#39;expérience. Éteignez l&#39;amplificateur et débranchez PZT conduit chaque fois que possible. <ol><li> Connecter le PZT conduit à l&#39;amplificateur de tension et connecter le générateur de fonction à un port de l&#39;amplificateur de tension d&#39;entrée. </li><li> Activer le générateur de fonction et le configurer pour générer des ondes carrées en continu avec une tension de sortie de 1 V. Ne pas générer le signal de tension jusqu&#39;à ce que toutes les connexions sont vérifiées et sécurisées. </li><li> Allumez l&#39;amplificateur de tension et de générer l&#39;onde carrée de tension de sortie 1 V en permettant la sortie. </li><li> Connecter le port de sortie de contrôle (tension de sortie 200 V) de l&#39;amplificateur à un oscilloscope. Configurez l&#39;amplificateur pour avoir gain de 200 V / V en tournant lagagner le bouton sur le panneau avant. Vérifier que la tension de sortie de contrôle a une amplitude de 1 V, telle que mesurée par l&#39;oscilloscope. </li><li> Une fois que le générateur de fonction et l&#39;amplificateur sont configurés, pour la fréquence de résonance du lanceur PZT par balayage de la fréquence de modulation du signal d&#39;attaque tandis que les images en temps réel vidéo particules microscopiques observées. Répéter le balayage jusqu&#39;à ce que le mouvement de microparticule est un maximum. Utilisez cette fréquence (64 kHz ici) pour libérer les particules. NOTE: La fréquence de modulation est modifiée manuellement (numérisée) de zéro à 150 kHz pour trouver la fréquence de résonance. </li><li> Configurer le générateur de fonction pour générer une onde carrée avec un nombre spécifié de cycles en mode rafale. Appuyez sur le bouton &quot;Burst&quot; sur le panneau avant et sélectionnez &quot;Cycle Burst N&quot;. </li><li> Choisissez le compte de salve en appuyant sur &quot;# Cycles&quot; touche programmable et réglez le nombre à 10 ou 20. </li><li> Configurer la forme d&#39;onde carrée pour générer des signaux de tension avecune amplitude de 600 V (trois fois la tension utilisée pour l&#39;excitation continue) à la fréquence de résonance de 64 kHz, ce qui a trouvé à l&#39;étape précédente. Vérifiez que le signal d&#39;impulsion libère la particule cible d&#39;une manière reproductible en assurant les particules se déplacent après chaque impulsion. </li></ol></li><li> Selective optique piège chargement REMARQUE: L&#39;assemblage du lanceur PZT est installé sur un linéaire étape manuelle traduction xy. Les particules peuvent être traduites par rapport au foyer du faisceau fixe, par déplacement de la platine de translation. <ol><li> Retirer le filtre de ligne laser pour identifier la focalisation du faisceau de piégeage par rotation de la tourelle de microscope (Figure 3a). Déplacez le bloc de focalisation motorisé avant et en arrière à la verticale autour de la meilleure mise au point de l&#39;image visible pour optimiser le focus. </li><li> Une fois la position de mise au point est vérifiée, remettre le filtre pour donner une vidéo claire et en temps réel, sans interférence du faisceau de piégeage. </li><li> Traduire l&#39;échantillon à placer une particule sélectionnée à la position de mise au point du laser de piégeage. Mettre l&#39;accent sur la particule de l&#39;image au centre d&#39;une particule choisie, ce qui place la position de capture nominale en dessous du centre de la particule d&#39;environ un demi-rayon, tout en laissant la position de lévitation au-dessus de la particule. </li><li> Réglez l&#39;alimentation électrique connecté au modulateur (EOM) pilote électro-optique pour régler la puissance de piégeage optique. La puissance optimale dépend de la taille et le matériau particulaire. La puissance optique a été constaté par des essais répétés pour déterminer la puissance suffisante pour faire léviter la particule sans l&#39;éjecter de la poutre. Ici, utiliser une puissance optique de 140 mW au niveau du plan focal arrière de l&#39;objectif de piéger les particules de 20 um de diamètre de polystyrène (PS). </li><li> Après le centre de la particule choisie est aligné, actionner le lanceur piézoélectrique à plusieurs impulsions. Le changement de l&#39;image de particule à partir d&#39;une image focalisée statique à une image floue en mouvement indique le chargement réussi à levposition itation. </li><li> Traduire la particule à sustentation verticale d&#39;environ un millimètre au-dessus du substrat en déplaçant la lentille d&#39;objectif pour empêcher les interactions superficielles éventuelles. Puis réduire la puissance optique de la transition de la particule à sustentation (figure 3b) dans la position de capture nominale (figure 3c) , qui est plus stable. REMARQUE: La puissance optique du laser de piégeage peut être modulée par un modulateur électro-optique (EOM). La MOE régule la puissance de sortie avec une tension de polarisation fournie par une source d&#39;alimentation numérique. On peut observer la transition de la position de lévitation à travers le piégeage du CCD pendant réduit lentement la puissance optique. </li><li> Pour la mesure de position, comme représenté sur la figure 3c à 3d, déplacer avec précaution le centre du porte - PZT à l&#39;axe optique et ensuite déplacer la lentille d&#39; objectif vers le haut (verticalement) pour traduire la particule dans le milieu de l&#39; enceinte de l&#39; échantillon (9 mm au- dessus du substrate) où le champ électrique de franges est minimisé. </li><li> Après avoir effectué la mesure décrite ci-dessous, placer la particule sur le substrat par déplacement de l&#39;objectif jusqu&#39;à ce que la particule en contact avec le substrat. Etant donné que la plupart des particules sont appliquées près des coins, la particule piégée peut être facilement reconnu et re-piégé quand il est placé dans la zone centrale. Cela permet réversible piège de chargement pour mesurer les changements qui se produisent au-delà d&#39;un événement de piégeage unique tels que les interactions de la particule et le substrat contact. </li></ol></li></ol> 3. Acquisition de données <ol><li> Aligner le condenseur et la lentille de focalisation afin de maximiser la &quot;somme&quot; de signal DOU avec une particule dans le piège. </li><li> Aligner la lentille de focalisation à zéro nominalement les canaux X et Y du DOU, comme représenté sur la figure 4c. </li><li> Répéter l&#39;ajustement du condenseur et la lentille de focalisation jusqu&#39;à ce que les signaux de position transformée de Fourier (ou densité spectrale de puissance<html> (PSD) des parcelles) de X et Y canaux se superposent pour afficher la sensibilité équilibrée. Signaux QPD correctement alignés (X et Y) montrent un comportement presque identique, comme le montre la figure 4b. </li><li> Une fois l&#39;alignement DOU est vérifié, la connexion de l&#39;amplificateur de tension aux deux plaques d&#39;ITO. Connecter le signal de sortie de surveillance de tension de l&#39;amplificateur au système d&#39;acquisition de données pour enregistrer le signal étape d&#39;excitation et la trajectoire de la particule induite de manière synchrone. </li><li> Fournir une onde carrée en continu de 400 V pour générer un champ électrique (figure 4d) qui se déplace transversalement par rapport à la particule à l&#39;axe optique d&#39;environ 500 nm (figure 4E). Mesurer la réponse indicielle de la particule piégée à l&#39;aide du DOU. </li><li> plusieurs périodes moyennes que nécessaire pour réduire les effets du mouvement brownien. Le mouvement induit peut être utilisé pour mesurer la force optique sur une large gamme de mouvement que celle des fluctuations thermiques. 12,ef &quot;&gt; 17 Figure 4d et 4E représente la moyenne des signaux de tension appliquée et la trajectoire des particules induite par plus de 50 itérations de l&#39; étape d&#39; excitation. </li></ol>

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The authors declare no competing financial interest.

Le lanceur piézoélectrique est conçu pour optimiser les performances dynamiques d&#39;un PZT sélectionné. Une sélection appropriée des matériaux et la gestion des vibrations ultrasonores PZT sont les étapes clés pour donner une expérience réussie. PZT présentent des caractéristiques différentes en fonction du type de capteur (en vrac ou empilés) et les matériaux constitutifs (dur ou mou). Un type PZT en vrac constitué d&#39;un matériau piézoélectrique dur est choisie pour les raisons suivantes. Tout...

Ashkin a rapporté l&#39;accélération et le piégeage des microparticules par la pression de radiation en 1970. 1 Son roman réalisation favorisé le développement des techniques de piégeage optique comme outil principal pour les études fondamentales de la physique et de la biophysique. 2, 3, 4, 5 A ce jour, l&#39;application de piégeage optique a porté principalement sur les environnements liquides, et ont été utilisés pour étudier une très large gamme de systèmes, du comportement des colloïdes aux propriétés mécaniques de biomolécules simples. 6, 7, 8 Application de piégeage optique milieux gazeux, cependant, exige la résolution de plusieurs nouveaux problèmes techniques. Récemment, le piégeage optique dans l&#39;air / vide a été de plus en plus appliqué dans la recherche fondamentale. Depuis levi optiquestation fournit potentiellement l&#39; isolement quasi-complet d&#39;un système à partir de l&#39;environnement, la particule optiquement sustentation devient un laboratoire idéal pour étudier les états du sol quantique dans les petits objets, 4 de mesure à haute fréquence des ondes gravitationnelles, 9 et la recherche de charge fractionnaire. 10 En outre, la faible viscosité de l&#39; air / vide permet d&#39;utiliser l&#39; inertie pour mesurer la vitesse instantanée d&#39;une particule brownienne 11 et pour créer un mouvement balistique sur une large gamme de mouvement au - delà du régime printanier linéaire. 12 Par conséquent, l&#39; information et les pratiques de pièges optiques dans les milieux gazeux techniques sont devenus plus précieux pour la communauté de recherche plus large. De nouvelles techniques expérimentales sont nécessaires pour charger nano / microparticules dans des pièges optiques dans les milieux gazeux. Un transducteur piézo-électrique (PZT), un dispositif qui convertit électric énergie en énergie mécano-acoustique, a été utilisé pour fournir de petites particules dans des pièges optiques dans l&#39; air / vide 5, 12 depuis la première démonstration de lévitation optique. 1 Depuis lors, plusieurs techniques de chargement ont été proposées pour charger des particules plus petites en utilisant des aérosols volatils générés par un nébuliseur commercial 13 ou un générateur d&#39;ondes acoustiques. 14 Les aérosols flottants avec des inclusions solides (particules) passent au hasard près du foyer et sont piégés par hasard. Une fois que l&#39;aérosol est piégé, le solvant s&#39;évapore et la particule reste dans le piège optique. Cependant, ces méthodes ne sont pas bien adaptés pour identifier les particules désirées à partir d&#39;un échantillon, charger une particule sélectionnée et de suivre ses modifications si libéré du piège. Ce protocole est destiné à fournir des détails aux nouveaux praticiens sur sélectif piège chargement optique dans l&#39;air, y compris l&#39;expérienceconfiguration al, la fabrication d&#39;un support de PZT et enceinte échantillon, piège chargement, et l&#39;acquisition de données associée à l&#39;analyse du mouvement des particules dans les deux domaines fréquentiel et temporel. Les protocoles de piégeage dans des milieux liquides ont également été publiés. 15, 16 Le dispositif expérimental global est développé sur un microscope optique inversé commercial. La figure 1 montre un schéma de la configuration utilisée pour démontrer les étapes du piège optique sélective chargement: libérer les microparticules de repos, en soulevant la particule choisie avec le faisceau focalisé, mesurant son mouvement, et en le plaçant sur le substrat à nouveau. objectif d&#39;abord, les étapes de translation (transversales et verticales) sont utilisés pour apporter une microparticule choisie sur le substrat pour la mise au point d&#39;un laser de piégeage (longueur d&#39;onde de 1064 nm) focalisé par un objectif (proche infrarouge corrigées à long distance de travail: NA 0,4, grossissement 20X, d travailIstance 20 mm) à travers le substrat transparent. Puis, un lanceur piézo-électrique (une mécanique pré-chargée de type annulaire PZT) génère des vibrations ultrasoniques pour briser l&#39;adhérence entre les microparticules et un substrat. Ainsi, toute particule libérée peut être levée par le faisceau unique piège laser gradient centré sur la particule sélectionnée. Une fois que la particule est piégée, elle se traduit par rapport au centre de l&#39;enceinte d&#39;échantillon contenant deux plaques conductrices parallèles pour l&#39;excitation électrostatique. Enfin, un système d&#39;acquisition de données (DAQ) enregistre simultanément le mouvement des particules, captée par un photodétecteur à cellules quadrant (DOU), et le champ électrique appliqué. Après avoir terminé la mesure, la particule est placée de manière contrôlable sur le substrat afin qu&#39;il puisse être pris au piège à nouveau d&#39;une manière réversible. Ce processus global peut être répété des centaines de fois sans perte de particules pour mesurer les changements tels que le contact électrification se produisant sur plusieurs cycles de piégeage. S&#39;il vous plaît se référer à notre article récent fou des détails. 12

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1124">
	<tbody>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:319px;">ScotchBlue Painter&#39;s Tape Original</td>
			<td style="width:177px;">3M</td>
			<td style="width:216px;">3M2090</td>
			<td style="width:413px;"></td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:319px;">Scotch 810 Magic Tape</td>
			<td style="width:177px;">3M</td>
			<td style="width:216px;">3M810</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:319px;">Function/Arbitrary Waveform generator</td>
			<td style="width:177px;">Agilent</td>
			<td style="width:216px;">HP33250A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:319px;">Power supply/Digital voltage supplier</td>
			<td style="width:177px;">Agilent</td>
			<td style="width:216px;">E3634A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:319px;">Ring-type piezoelectric transducer</td>
			<td style="width:177px;">American Piezo Company</td>
			<td style="width:216px;">item91</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:319px;">Electro-optic modulator</td>
			<td style="width:177px;">Con-Optics</td>
			<td style="width:216px;">350&#8722;80-LA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:319px;">Amplifier for Electro-optic modulator</td>
			<td style="width:177px;">Con-Optics</td>
			<td style="width:216px;">302RM</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:319px;">Mitutoyo NIR infinity Corrected Objective</td>
			<td style="width:177px;">Edmund optics</td>
			<td style="width:216px;">46-404</td>
			<td>Manufactured by Mitutoyo and Distributed by Edmund optics</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:319px;">LOCTITE SUPER GLUE LONGNECK BOTTLE</td>
			<td style="width:177px;">Loctite</td>
			<td style="width:216px;">230992</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;">3D printer</td>
			<td style="width:177px;">MakerBot</td>
			<td style="width:216px;">Replicator 2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Polylactic acid (PLA) filament</td>
			<td style="width:177px;">MakerBot</td>
			<td style="width:216px;">True Red PLA Small Spool</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Data Acquisition system</td>
			<td style="width:177px;">National Instruments</td>
			<td style="width:216px;">780114-01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Quadrant-cell photodetector</td>
			<td style="width:177px;">Newport</td>
			<td style="width:216px;">2031</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Translational stage</td>
			<td style="width:177px;">Newport</td>
			<td style="width:216px;">562-XYZ</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Inverted optical microscope</td>
			<td style="width:177px;">Nikon Instruments</td>
			<td style="width:216px;">EclipsTE2000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Fluorescence filter (green)</td>
			<td style="width:177px;">Nikon Instruments</td>
			<td style="width:216px;">G-2B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Flea3/CCD camera</td>
			<td style="width:177px;">Point Grey</td>
			<td style="width:216px;">FL3-U3-13S2M-CS</td>
			<td>Trapping laser</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:46px;width:319px;">Diode pumped neodymium yttrium vanadate(Nd:YVO4)</td>
			<td style="width:177px;">Spectra Physics</td>
			<td style="width:216px;">J20I-8S-12K/ BL-106C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Indium tin oxide (ITO) Coated coverslips</td>
			<td style="width:177px;">SPI supplies</td>
			<td style="width:216px;">06463B-AB</td>
			<td>Polystyrene microparticles</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Fast Drying Silver Paint</td>
			<td style="width:177px;">Tedpella</td>
			<td style="width:216px;">16040-30</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Dri-Cal size standards</td>
			<td style="width:177px;">Thermo Scientific</td>
			<td style="width:216px;">DC-20</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Optical Fiber</td>
			<td style="width:177px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:216px;">P1&#8722;1064PM-FC-5</td>
			<td>bottom plate</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Aluminium plate&#160;</td>
			<td style="width:177px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:216px;">CP4S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">High voltage power amplifier</td>
			<td style="width:177px;">TREK</td>
			<td style="width:216px;">PZD700A M/S</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

optical trap loading of dielectric microparticles in air

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly scattered dielectric microparticles adhered to a glass substrate are momentarily detached using ultrasonic vibrations generated by a piezoelectric transducer (PZT). Then, the optical beam focused on a selected particle lifts it up to the optical trap while the vibrationally excited microparticles fall back to the substrate. A particle may be trapped at the nominal focus of the trapping beam or at a position above the focus (referred to here as the levitation position) where gravity provides the restoring force. After the measurement, the trapped particle can be placed at a desired position on the substrate in a controlled manner. 
In this protocol, an experimental procedure for selective optical trap loading in air is outlined. First, the experimental setup is briefly introduced. Second, the design and fabrication of a PZT holder and a sample enclosure are illustrated in detail. The optical trap loading of a selected microparticle is then demonstrated with step-by-step instructions including sample preparation, launching into the trap, and use of electrostatic force to excite particle motion in the trap and measure charge. Finally, we present recorded particle trajectories of Brownian and ballistic motions of a trapped microparticle in air. These trajectories can be used to measure stiffness or to verify optical alignment through time domain and frequency domain analysis. Selective trap loading enables optical tweezers to track a particle and its changes over repeated trap loadings in a reversible manner, thereby enabling studies of particle-surface interaction.

Le lanceur de PZT est conçu en utilisant un logiciel de CAO. Ici, on utilise une structure de type sandwich simple pour le préchargement (PZT serrée par deux plaques), comme représenté sur la figure 2. Le porte-PZT et l&#39;enceinte de l&#39; échantillon peut être fabriqué à partir d&#39; une variété de matériaux et méthodes. Pour une démonstration rapide, nous choisissons l&#39; impression 3D avec thermoplastique comme illustré sur la figure 2d.</...

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Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

A protocol for launching and stably trapping selected dielectric microparticles in air is presented.

Piège optique Chargement de Dielectric Microparticules Dans Air

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

9.0K vues.  National Institute of Standards and Technology. A protocol for launching and stably trapping selected dielectric microparticles in air is presented.

Vidéo: Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

Construction and Testing of Coin Cells of Lithium Ion Batteries

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime. Lithium ion batteries have also been considered to be used in electric and hybrid vehicles1 or even electrical grid stabilization systems2. All these applications simulate a dramatic increase in the research and development of battery materials3-7, including new materials3,8, doping9, nanostructuring10-13, coatings or surface modifications14-17 and novel binders18. Consequently, an increasing number of physicists, chemists and materials scientists have recently ventured into this area. Coin cells are widely used in research laboratories to test new battery materials; even for the research and development that target large-scale and high-power applications, small coin cells are often used to test the capacities and rate capabilities of new materials in the initial stage. 
 In 2010, we started a National Science Foundation (NSF) sponsored research project to investigate the surface adsorption and disordering in battery materials (grant no. DMR-1006515). In the initial stage of this project, we have struggled to learn the techniques of assembling and testing coin cells, which cannot be achieved without numerous help of other researchers in other universities (through frequent calls, email exchanges and two site visits). Thus, we feel that it is beneficial to document, by both text and video, a protocol of assembling and testing a coin cell, which will help other new researchers in this field. This effort represents the "Broader Impact" activities of our NSF project, and it will also help to educate and inspire students.
In this video article, we document a protocol to assemble a CR2032 coin cell with a LiCoO2 working electrode, a Li counter electrode, and (the mostly commonly used) polyvinylidene fluoride (PVDF) binder. To ensure new learners to readily repeat the protocol, we keep the protocol as specific and explicit as we can. However, it is important to note that in specific research and development work, many parameters adopted here can be varied. First, one can make coin cells of different sizes and test the working electrode against a counter electrode other than Li. Second, the amounts of C black and binder added into the working electrodes are often varied to suit the particular purpose of research; for example, large amounts of C black or even inert powder were added to the working electrode to test the "intrinsic" performance of cathode materials14. Third, better binders (other than PVDF) have also developed and used18. Finally, other types of electrolytes (instead of LiPF6) can also be used; in fact, certain high-voltage electrode materials will require the uses of special electrolytes7.

A protocol to construct and test coin cells of lithium ion batteries is described. The specific procedures of making a working electrode, preparing a counter electrode, assembling a cell inside a glovebox and testing the cell are presented.

Construction et d&#39;essai des Piles de batteries lithium-ion

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime.  Lithium ion ...

Recherche

Ingénierie

Fabricating Metamaterials Using the Fiber Drawing Method

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe their electromagnetic properties to the structure of their constituents, instead of the atoms that compose them. For example, sub-wavelength metal wires can be arranged to possess an effective electric permittivity that is either positive or negative at a given frequency, in contrast to the metals themselves 2. This unprecedented control over the behaviour of light can potentially lead to a number of novel devices, such as invisibility cloaks 3, negative refractive index materials 4, and lenses that resolve objects below the diffraction limit 5. However, metamaterials operating at optical, mid-infrared and terahertz frequencies are conventionally made using nano- and micro-fabrication techniques that are expensive and produce samples that are at most a few centimetres in size 6-7. Here we present a fabrication method to produce hundreds of meters of metal wire metamaterials in fiber form, which exhibit a terahertz plasmonic response 8. We combine the stack-and-draw technique used to produce microstructured polymer optical fiber 9 with the Taylor-wire process 10, using indium wires inside polymethylmethacrylate (PMMA) tubes. PMMA is chosen because it is an easy to handle, drawable dielectric with suitable optical properties in the terahertz region; indium because it has a melting temperature of 156.6 &deg;C which is appropriate for codrawing with PMMA. We include an indium wire of 1 mm diameter and 99.99% purity in a PMMA tube with 1 mm inner diameter (ID) and 12 mm outside diameter (OD) which is sealed at one end. The tube is evacuated and drawn down to an outer diameter of 1.2 mm. The resulting fiber is then cut into smaller pieces, and stacked into a larger PMMA tube. This stack is sealed at one end and fed into a furnace while being rapidly drawn, reducing the diameter of the structure by a factor of 10, and increasing the length by a factor of 100. Such fibers possess features on the micro- and nano- scale, are inherently flexible, mass-producible, and can be woven to exhibit electromagnetic properties that are not found in nature. They represent a promising platform for a number of novel devices from terahertz to optical frequencies, such as invisible fibers, woven negative refractive index cloths, and super-resolving lenses.

Metamaterials at terahertz frequencies offer unique opportunities, but are challenging to fabricate in bulk. We adapt the fabrication procedure for microstructured polymer optical fibers to inexpensively fabricate metamaterials potentially on an industrial scale. We produce polymethylmethacrylate fibers containing ~10 &mu;m diameter indium wires separated by ~100 &mu;m, which exhibit a terahertz plasmonic response.

Les métamatériaux Fabricating aide de la méthode de tirage de fibre

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe ...

Optical Trapping of Nanoparticles

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping and manipulating small biological particles. Ashkin and co-workers first demonstrated optical tweezers using a single focused beam1. The single beam trap can be described accurately using the perturbative gradient force formulation in the case of small Rayleigh regime particles1. In the perturbative regime, the optical power required for trapping a particle scales as the inverse fourth power of the particle size. High optical powers can damage dielectric particles and cause heating. For instance, trapped latex spheres of 109 nm in diameter were destroyed by a 15 mW beam in 25 sec1, which has serious implications for biological matter2,3.
A self-induced back-action (SIBA) optical trapping was proposed to trap 50 nm polystyrene spheres in the non-perturbative regime4. In a non-perturbative regime, even a small particle with little permittivity contrast to the background can influence significantly the ambient electromagnetic field and induce a large optical force. As a particle enters an illuminated aperture, light transmission increases dramatically because of dielectric loading. If the particle attempts to leave the aperture, decreased transmission causes a change in momentum outwards from the hole and, by Newton's Third Law, results in a force on the particle inwards into the hole, trapping the particle. The light transmission can be monitored; hence, the trap can become a sensor. The SIBA trapping technique can be further improved by using a double-nanohole structure.
The double-nanohole structure has been shown to give a strong local field enhancement5,6. Between the two sharp tips of the double-nanohole, a small particle can cause a large change in optical transmission, thereby inducing a large optical force. As a result, smaller nanoparticles can be trapped, such as 12 nm silicate spheres7 and 3.4 nm hydrodynamic radius bovine serum albumin proteins8. In this work, the experimental configuration used for nanoparticle trapping is outlined. First, we detail the assembly of the trapping setup which is based on a Thorlabs Optical Tweezer Kit. Next, we explain the nanofabrication procedure of the double-nanohole in a metal film, the fabrication of the microfluidic chamber and the sample preparation. Finally, we detail the data acquisition procedure and provide typical results for trapping 20 nm polystyrene nanospheres.

The following setup approach details low power optical trapping of dielectric nanoparticles using a double-nanohole in metal film.

Le piégeage optique de nanoparticules

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping ...

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for synthesizing nanoscopic VB2 is presented as well as step-by-step procedure for applying a zirconium oxide coating to the VB2 particles for stabilization upon discharge. The process for disassembling existing zinc/air cells is shown, in addition construction of the new working electrode to replace the conventional zinc/air cell anode with a the nanoscopic VB2 anode. Finally, discharge of the completed VB2/air battery is reported. We show that using the zinc/air cell as a test bed is useful to provide a consistent configuration to study the performance of the high-energy high capacity nanoscopic VB2 anode.

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

A protocol is presented to study multi-electron metal/air battery systems by using previous technology developed for the zinc/air cell. Electrochemical testing is then performed on fabricated batteries to evaluate performance.

Fabrication de VB<sub&gt; 2</sub&gt; / Cellules d&#39;air pour électrochimique Testing

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for ...

The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and polar dielectric liquids. These bridges are unique from capillary bridges in that they exhibit extensibility beyond a few millimeters, have complex bi-directional mass transfer patterns, and emit non-Planck infrared radiation. A number of common solvents can form such bridges as well as low conductivity solutions and colloidal suspensions. The macroscopic behavior is governed by electrohydrodynamics and provides a means of studying fluid flow phenomena without the presence of rigid walls. Prior to the onset of a liquid bridge several important phenomena can be observed including advancing meniscus height (electrowetting), bulk fluid circulation (the Sumoto effect), and the ejection of charged droplets (electrospray). The interaction between surface, polarization, and displacement forces can be directly examined by varying applied voltage and bridge length. The electric field, assisted by gravity, stabilizes the liquid bridge against Rayleigh-Plateau instabilities. Construction of basic apparatus for both vertical and horizontal orientation along with operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

Horizontal and vertical electrohydrodynamic liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields and polar dielectric liquids. The construction of basic apparatus and operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

La préparation de ElectroHydroDynamique Ponts de polaires liquides diélectriques

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and ...

Writing Bragg Gratings in Multicore Fibers

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong suppression at a single wavelength requires that all cores have matching transmission profiles. These gratings cannot be inscribed using the same method as for single-core fibers because the curved surface of the cladding acts as a lens, focusing the incoming UV laser beam and causing variations in exposure between cores. Therefore we use an additional optical element to ensure that the beam shape does not change while passing through the cross-section of the multicore fiber. This consists of a glass capillary tube which has been polished flat on one side, which is then placed over the section of the fiber to be inscribed. The laser beam enters the fiber through the flat surface of the capillary tube and hence maintains its original dimensions. This paper demonstrates the improvements in core-to-core uniformity for a 7-core fiber using this method. The technique can be generalized to larger multicore fibers.

We describe a technique for inscribing identical fiber Bragg gratings into each core of a multicore fiber. This is achieved by introducing an additional surface into the optical path to mitigate lensing by the curved surface of the fiber cladding.

Rédaction de Bragg dans les fibres multipaires

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong ...

Fabrication Process of Silicone-based Dielectric Elastomer Actuators

This contribution demonstrates the fabrication process of dielectric elastomer transducers (DETs). DETs are stretchable capacitors consisting of an elastomeric dielectric membrane sandwiched between two compliant electrodes. The large actuation strains of these transducers when used as actuators (over 300% area strain) and their soft and compliant nature has been exploited for a wide range of applications, including electrically tunable optics, haptic feedback devices, wave-energy harvesting, deformable cell-culture devices, compliant grippers, and propulsion of a bio-inspired fish-like airship. In most cases, DETs are made with a commercial proprietary acrylic elastomer and with hand-applied electrodes of carbon powder or carbon grease. This combination leads to non-reproducible and slow actuators exhibiting viscoelastic creep and a short lifetime. We present here a complete process flow for the reproducible fabrication of DETs based on thin elastomeric silicone films, including casting of thin silicone membranes, membrane release and prestretching, patterning of robust compliant electrodes, assembly and testing. The membranes are cast on flexible polyethylene terephthalate (PET) substrates coated with a water-soluble sacrificial layer for ease of release. The electrodes consist of carbon black particles dispersed into a silicone matrix and patterned using a stamping technique, which leads to precisely-defined compliant electrodes that present a high adhesion to the dielectric membrane on which they are applied.

This manuscript shows the fabrication process for the manufacture of dielectric elastomer soft actuators based on silicone membranes. The three key stages of production are presented in detail: blade casting of thin silicone membranes; pad printing of compliant electrodes; and the assembly of all the components.

Processus de fabrication des élastomères diélectriques Actionneurs à base de silicone

This contribution demonstrates the fabrication process of dielectric elastomer transducers (DETs). DETs are stretchable capacitors consisting of an ...

Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum information processing circuits, including photon sources, qubit manipulation, and integrated single-photon detectors. Here, we present the key aspects of preparing and testing a silicon photonic quantum chip with an integrated photon source and two-photon interferometer. The most important aspect of an integrated quantum circuit is minimizing loss so that all of the generated photons are detected with the highest possible fidelity. Here, we describe how to perform low-loss edge coupling by using an ultra-high numerical aperture fiber to closely match the mode of the silicon waveguides. By using an optimized fusion splicing recipe, the UHNA fiber is seamlessly interfaced with a standard single-mode fiber. This low-loss coupling allows the measurement of high-fidelity photon production in an integrated silicon ring resonator and the subsequent two-photon interference of the produced photons in a closely integrated Mach-Zehnder interferometer. This paper describes the essential procedures for the preparation and characterization of high-performance and scalable silicon quantum photonic circuits.

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum systems. Presented here is a method for preparing and testing a silicon photonic chip for quantum measurements.

Mesure de l&#39;interférence quantique dans un anneau de silicium Résonateur Photon Source

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum information processing circuits, including photon sources, qubit ...

Fabrication of Polymer Microspheres for Optical Resonator and Laser Applications

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, interface precipitation, and mini-emulsion. In all methods, well-defined, micrometer-sized spheres are obtained from a self-assembling process in solution. The vapor diffusion method can result in spheres with the highest sphericity and surface smoothness, yet the types of the polymers able to form these spheres are limited. On the other hand, in the mini-emulsion method, microspheres can be made from various types of polymers, even from highly crystalline polymers with coplanar, &#960;-conjugated backbones. The photoluminescent (PL) properties from single isolated microspheres are unusual: the PL is confined inside the spheres, propagates at the circumference of the spheres via the total internal reflection at the polymer/air interface, and self-interferes to show sharp and periodic resonant PL lines. These resonating modes are so-called "whispering gallery modes" (WGMs). This work demonstrates how to measure WGM PL from single isolated spheres using the micro-photoluminescence (&#181;-PL) technique. In this technique, a focused laser beam irradiates a single microsphere, and the luminescence is detected by a spectrometer. A micromanipulation technique is then used to connect the microspheres one by one and to demonstrate the intersphere PL propagation and color conversion from coupled microspheres upon excitation at the perimeter of one sphere and detection of PL from the other microsphere. These techniques, &#181;-PL and micromanipulation, are useful for experiments on micro-optic application using polymer materials.

Protocols for the synthesis of microspheres from polymers, the manipulation of microspheres, and micro-photoluminescence measurements are presented.

Fabrication de microsphères polymères pour résonateurs optiques et applications laser

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, ...

Application of Design Aspects in Uniaxial Loading Machine Development

In terms of accurate and precise mechanical testing, machines run the continuum. Whereas commercial platforms offer excellent accuracy, they can be cost-prohibitive, often priced in the $100,000 - $200,000 price range. At the other extreme are stand-alone manual devices that often lack repeatability and accuracy (e.g., a manual crank device). However, if a single use is indicated, it is over-engineering to design and machine something overly elaborate. Nonetheless, there are occasions where machines are designed and built in-house to accomplish a motion not attainable with the existing machines in the laboratory. Described in detail here is one such device. It is a loading platform that enables pure uniaxial loading. Standard loading machines typically are biaxial in that linear loading occurs along the axis and rotary loading occurs about the axis. During testing with these machines, a load is applied to one end of the specimen while the other end remains fixed. These systems are not capable of conducting pure axial testing in which tension/compression is applied equally to the specimen ends. The platform developed in this paper enables the equal and opposite loading of specimens. While it can be used for compression, here the focus is on its use in pure tensile loading. The device incorporates commercial load cells and actuators (movers) and, as is the case with machines built in-house, a frame is machined to hold the commercial parts and fixtures for testing.

Here we present a protocol to develop a pure uniaxial loading machine. Critical design aspects are employed to ensure accurate and reproducible testing results.

Application des Aspects de la conception dans le développement de Machine uniaxiale

In terms of accurate and precise mechanical testing, machines run the continuum. Whereas commercial platforms offer excellent accuracy, they can be ...