Sonolüminesans ve Kristal Füzyon – Sesi ışığa dönüştürme hakkında kısa bir not.

Burada bir süredir makalelerin kaydını tuttuktan sonra, devam eden bu yazı koleksiyonuna bir kısa görüş daha ekliyorum; bu sefer doğada ve yaşam bilimlerinde sonolüminesans ve kristal füzyon üzerine. Sonolüminesans fenomeni [Hilgenfeldt, 1999] tesadüfen, 1865’te Dynamit Nobel AG’de büyük başarı sağlayan nitrogliserin patlamalarının ardındaki tanınmayan sır olarak bilinir; bizzat Alfred Nobel tarafından finanse edilen bir kimya şirketi. Bu gözleme dayanarak, son yıllarda fizikçi Kirk McDonald alaycı bir şekilde tüm Nobel ödüllerinin bu nedenle sonolüminesansa bağlı olduğunu belirtti. [McDonald 1998]. Etki mekanizmasında süreç, nitrogliserinin patlamasına göre tarif edilebilir; burada bileşik içinde düşürülerek bir basınç dalgası şekillendirilir ve yansıyan basınç dalgasıyla etkileşime girerek çöken kavitasyon kabarcıklarının oluşumuna yol açar. sesi ışığa dönüştüren bir süreçte (Film 1) pikosaniyeler süren bir ışık parlaması yaymak.

1. film: Bir kabarcık olarak görülen sonolüminesans parlaması minimum yarıçapına ulaşır. Görüntünün izniyle: Acoustics Research, Physics, UCLA, Bağlantı: http://acoustics-research.physics.ucla.edu/sonoluminescence/

Kristal füzyon da ışık yayar, ancak bu örnekte, donan bir piroelektrik kristal yüksek voltaj oluşturmak için ısıtıldığında ve oda sıcaklığında bir masa üstünde “nükleer füzyon” ürettiğinde meydana gelir (Film 2). Odaklanmış alan, sürekli füzyon için bir döteryum iyonları demetini ışık hızının yaklaşık yüzde 1’ine kadar hızlandırabilir. [Peplow 2005]. Bu tür kristaller, yaşam bilimlerinde ilginç potansiyel uygulamalara sahip küçük bir radyoaktif kaynak oluşturmak için elektronları hızlandırdığı için X-ışınları da verebilir. Bu gönderi, yaşam bilimlerindeki uygulamaları keşfetmek için disiplinler arası malzeme kimyası ve uygulamalı fizik kavramlarını kısaca birleştirir.

Film 2: Bir lityum niyobat kristali ısıtıldığında, filmde görülen kalıpları oluşturmak için elektronları 40 keV’yi aşan enerjilere hızlandırır. Görüntünün izniyle: Acoustics Research, Physics, UCLA, Bağlantı: https://acoustics-research.physics.ucla.edu/crystallic-fusion/

Laboratuvarda ve doğada sonolüminesans

1934’te Hermann Frenzel ve meslektaşları ilk kez Köln Üniversitesi’ndeki laboratuvarda teknik olarak sonolüminesansı gözlemlediler ve bir fotoğraf geliştirici sıvı tankına bir ultrason dönüştürücü eklediler. [Frenzel 1934]. Süreç şans eseri filmde aktif ultrason varlığında ışık yayan küçük nokta benzeri kabarcıkların oluşmasına yol açtı. Bu olay, çok kabarcıklı sonolüminesans olarak bilinir. Bu fenomenin dikkate değer özellikleri, akustik enerjinin kısa bir ışık emisyon ömrü ile ışık enerjisine dönüştürülmesini içerir. Uygulamalı fizikçi TJ Matula, lüminesans ve sönme eşiği arasında meydana gelen etki mekanizmasını detaylandırmak için ilk kavitasyonu ve tek kabarcıklı sonolüminesansı gösterdi (Şekil 1) [Matula 1999].

Şekil 1: Akustik bir duran dalgadaki kabarcıklar için tahrik basıncı parametre alanı. Tek kabarcıklı sonolüminesans (SBSL). Lüminesans eşiğini geçmek. Sonoluminesans (SL), lüminesans ve sönme eşiği arasında gerçekleşir. Sönüm eşiğinin üzerinde balonun yalnızca geçici bir oluşumu gözlenir [Matula 1999].

Sonolüminesans yoluyla sesin ışığa dönüştürülmesi, doğada, çıtırdayan karidesler arasında da meydana gelir. Bu organizmalar, su altı iletişimini şiddetle bozan yüksek bir çatırtı sesi üretebilir. Bu fenomen, başlangıçta yüksek hızlı bir su jetinin çekme kuvvetlerini oluşturmak için kapatılan karideslerin kıskaç pençesi olarak oluşturulan büyük bir kavitasyon balonunun çökmesi nedeniyle ortaya çıkar. Su altında baloncuk çökme sürecine, kısa, yoğun bir ışık parlaması eşlik eder; [Versluis 2001]. Bu biyolojik şok dalgası çıplak gözle algılanamaz ve avlanan hayvanları sersemletmek ve hatta öldürmek için kullanılır. Işık emisyonu fenomeni, biyolojik olarak uygulanabilir bir olay oluşturmak için, balonun çökmesi sırasındaki aşırı ısı koşullarını vurgular.

Ancak uygulamalı fizik ve malzeme kimyasındaki bu kavramlar yaşam bilimlerine nasıl tercüme ediliyor?

Şimdiye kadar, sonolüminesanstan çıkan ışık, önemli bir spektral ultraviyole bileşenine sahiptir ve bu kabarcık salınımları, ultrason dalgaları tarafından tetiklenebilir. Proses, ışığın biyoaktivitesini düzenlemek için moleküler fotoanahtarlarla akıllı ilaçları fotoaktif hale getirme, terapötik uygulamalar için entegre edilmiş manyetik, flüoresan ve plazmonik nanopartiküller ile daha da optimize edilmiş fotofarmakoloji kapsamına sahiptir. [Maksymov 2022], [Sheng 2017]. Örneğin, sonodinamik terapi, ultrason ve temel durum moleküler oksijen varlığında sonolüminesansın, reaktif oksijen türleri üretiminin yanı sıra şiddetli baloncuk çökmesini kolaylaştırdığı bir süreçtir. Sonuçlar, agresif ve dirençli tümör hücrelerini ulaşılması zor yerlerde tedavi etmeye yönelik umut verici uygulamalar için lokalize sitotoksik oksijen üretimine sahip ilaç sınıflarını etkinleştirebilir (Şekil 2) [Beguin 2019], [Chen 2013].

Şekil 2: Mikrokabarcıklar ve ultrason kullanarak bir fotodinamik terapi ajanının aktivasyonu. Ultrason, daha büyük doku derinliklerine doğru bir şekilde odaklanabilir ve kemoterapötik ilaç iletiminin katı dokulara ulaşması için potansiyel açar. [Beguin 2019].

Sonoluminesanstan Kristal Füzyona – Muslukta radyasyon ve bir ay ışığı.

2005 yılında mucit ve malzeme bilimcisi B. Naranjo ve diğerleri. döteryumlu bir atmosferde piroelektrik bir lityum tantalat kristalinin hafifçe ısıtılmasının masaüstünde füzyon oluşturabileceğini gösterdi (Şekil 3)[Naranjo 2005]. Ekmek kızartma makinesi büyüklüğündeki bu cihaz, oda sıcaklığında bir nükleer füzyon makinesi olarak işlev göremese de (çünkü kendi kendini idame ettiren bir termonükleer reaksiyonu desteklemez), ekip kanseri tedavi etme ve uzay araçlarına güç sağlama kapsamını gördü.

Etki mekanizması sırasında, kristalin döteryumlu bir ortamdaki elektrostatik alanı, basit, avuç içi büyüklüğünde bir nötron üretecindeki uygulamalar için büyük ölçekli nötron akışı üretmek üzere döteryumlu bir hedefi vuran bir döteryum ışını oluşturabilir ve hızlandırabilir. Yaygın olarak bulunan radyasyon tedavisi biçimleri, sağlıklı hücreleri kanserli hücrelerle birlikte patlatma eğiliminde olduğundan, şu anda bile yaşam bilimlerindeki uygulamalar nispeten doğrudandır. Arşivlerden gelen bu buluş, istendiğinde açılıp kapatılabilen potansiyel olarak biyo-uyumlu ve piezo-uyumlu bir düzenekte, hedeflenen bir tümör bölgesinde girişimsel radyoterapi potansiyeli olan kanser hücrelerinin hassas radyasyon onkolojisi için bir mekanizma sunar.

Buluş, tıpta tam olarak keşfedilmeyi beklese de, çeşitli teknolojik yan ürünler için zemin hazırlıyor. Kristal füzyon kavramı, Avrupa Uzay Ajansı’nın aya yaptığı SMART-1 misyonu sırasında navigasyon için gelişmiş iyon tahrikini başarıyla sergileyen, ileri doğru itmek için yüklü ksenon gazı akışı püskürten iyon motorları olarak, roket tahrikinde yaşam bilimlerinin ötesinde de uygulanabilir. [Foing 2006].

Figür 3: Deneysel geometri. a) 100 kV’a yüklenmiş bir kristal için hesaplanan eşpotansiyeller ve yörüngeler, b) Ucun yakınında gösterilen aynı yörüngeler, c) Vakum odası kesit görünümü, d) Nötron ve X-ışını detektörlerinin düzeni [Naranjo 2005].

O zaman vs. Şimdi – Görünüm

Piroelektriklik ve piroelektrik kristaller kavramı, yüzyıllardır süren yeni değildir. [Lang 2013]çeşitli alanlarla ilgili modern piroelektrik görüntüleme uygulamalarıyla [Kulwicki 1992]. 1898’de W. Voigt, turmalin gibi bazı kristallerin ısıtılarak (piroelektrik) veya deformasyonla (piezoelektrik) elektriklendirilmesinin nispeten benzer fenomenler olduğunu kaydetti. [Franklin 1899]. Curie kardeşler tarihsel olarak piezoelektriği Mart 1880’de keşfettiler. Günümüze hızlı bir şekilde ilerleyin, konsept implantlar, sensörler ve piezoelektrik biyolojik yapılarla uyumlu biyo-ilhamlı yapılar gibi çeşitli tıbbi uygulamalar için uygundur. in vivo [Zaszczynska 2020].

Piezoelektrik özelliklere sahip biyolojik doku, kasın aktin ve miyozin yapılarını, saçın keratini, tendon, deri ve kemiklerdeki kolajeni ve ayrıca canlı dokudaki elastini içerir (Tablo 1). Piezo uyumlu/biyouyumlu cihazlar geliştirme kapasitesi, halihazırda kemik ve kıkırdak rejenerasyonunda görüldüğü gibi cihazların daha iyi entegrasyonuna uygun olacaktır. in vivo [Rodriguez 2016]. İnsan vücudundaki piezoelektriğin değişen doğasına rağmen, birçok araştırma çabası, hastalık koşullarını ele almak ve insan sağlığının iyileştirilmesini hızlandırmak için biyomühendisliğe olası müdahale çözümlerinin altında yatan biyomekaniği anlamayı amaçlamaktadır. [Chen-Glasser 2018].

Tablo 1: Piezoelektrik özelliklere ve piezoelektrikliğin itici kaynağına sahip dokular [Chen-Glasser 2018]

Organ

Piezoelektrik molekül

Kas

Aktin ve miyozin

Saç

Keratin

Kemik

kolajen

Tendon

kolajen

Akciğer dokusu

Elastin

Cilt (dermis)

kolajen

Cilt (epidermis)

Keratin

meme dokusu

kolajen

Dış saç hücresi

Prestin

sonsöz

Geçmişteki keşifler ve icatlar bu şekilde günümüzdeki bilimsel gelişmeleri etkilemeye devam edebilir ve gelecekte araştırma sonuçlarını optimize edebilir. Bu makale, yaşam bilimlerinin disiplinlerarasılığını vurgulamak için, kristal füzyon, piezoelektriklik ve sesi ışığa dönüştüren sonolüminesansın daha geniş kavramlarına göre tıbbı ilerletmek için mevcut olasılıkları araştırıyor.

Başlık görüntü: Sonoluminescence – Kavitasyon ısınıyor, Doğa, doi: https://doi.org/10.1038/434033a

Referanslar

  1. Hilgenfeldt S. ve ark. Sonolüminesansta ışık emisyonunun basit bir açıklaması, Nature, doi: https://doi.org/10.1038/18842
  2. McDonald KT, Nobel sonoluminesans, Joseph Henry Laboratories, Princeton Üniversitesi, Princeton. url: http://kirkmcd.princeton.edu/examples/popsci.pdf
  3. Peplow M., Crystal masa üstü füzyon yaratıyor, Nature, doi: 10.1038/news050425-3
  4. Frenzel H. ve diğerleri, Luminescenz im ultraschallbeschickten Wasser, Zeitschrift für Physikalische Chemie, doi: 10.1515/zpch-1934-2737
  5. Matula, TJ Eylemsiz kavitasyon ve tek kabarcıklı sonolüminesans, Felsefi İşlemler Royal Society A., doi: https://doi.org/10.1098/rsta.1999.0325
  6. Versluis M. ve ark. Karideslüminesans, Bib kodu: 2001APS..DFD.EA009V
  7. Maksymov ben ve ark. Gaz Kabarcığı Fotoniği: Floresan ve Plazmonik Nanopartiküller ile Sonolüminesans Işığının Manipüle Edilmesi, MDPI., doi:
  8. Sheng Y. ve ark. Pankreas kanserinin hedeflenen sonodinamik ve antimetabolit tedavisi için dağıtım araçları olarak manyetik olarak duyarlı mikro kabarcıklar, Journal of Controlled Release doi: 10.1016/j.jconrel.2017.07.040
  9. Chen H. ve ark. Katı tümörlere kemoterapötik ilaç iletimi için ultrason hedefli mikro-kabarcık imhası, Journal of Therapeutic Ultrasound, doi: 10.1186/2050-5736-1-10
  10. Beguin E. ve ark. Terapötik Ultrason ve Mikrokabarcıklar, ACS Uygulamalı Materyaller ve Arayüzler Kullanılarak Çok Kabarcıklı Sonolüminesansın Doğrudan Kanıtı, doi: 10.1021/acsami.9b07084
  11. Naranjo B. ve ark. Bir piroelektrik kristal tarafından yürütülen nükleer füzyon gözlemi, Nature, doi: 10.1038/nature03575
  12. Lang SB 2400 yıllık bir piroelektrik tarihi: Antik Yunanistan’dan güneş sisteminin keşfine, Taylor & Francis Online, doi: https://doi.org/10.1179/096797804225012765
  13. Foing BH ve ark. Ay’a SMART-1 görevi: Durum, ilk sonuçlar ve hedefler, Uzay Araştırmalarında Gelişmeler., doi: https://doi.org/10.1016/j.asr.2005.12.016
  14. Kulwicki B. ve ark. Piroelektrik görüntüleme, IEEE., 10.1109/ISAF.1992.300607
  15. Franklin WS, Piroelektrik ve Piezoelektrik, Bilim, 10.1126/science.9.221.457.a
  16. Zaszczynska A ve ark. Tıbbi Cihazlar için Akıllı Piezoelektrik Malzemelerin Uygulamalarındaki İlerleme, MDPI, 10.3390/polym12112754
  17. Rodriguez R. ve ark. Sentetik hidroksiapatit bazlı organik-inorganik hidratlı malzemelerin piezoelektrik özellikleri, Fizik Sonuçları, doi: 10.1016/j.rinp.2016.11.005
  18. Chen-Glasser M. ve ark. Tıbbi Uygulamalar için Piezoelektrik Malzemeler, Intech Open, doi:10.5772/intechopen.76963

Bir yanıt yazın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir