Små molekylkrafter vid vattendropparnas yta kan spela en stor roll för laserutsläpp. Som den mest grundläggande matrisen i livet, vatten driver många viktiga biologiska aktiviteter, genom interaktioner med biomolekyler och organismer. Att studera de mekaniska effekterna av vatteninvolverade interaktioner bidrar till förståelsen av biokemiska processer. Enligt Yu-Cheng Chen, professor i elektronik vid Nanyang Technological University (NTU), "När vatten interagerar med en yta, hydrofobiciteten vid biogränsytan bestämmer huvudsakligen vattnets mekaniska jämvikt. Molekylär hydrofobicitet vid gränssnittet kan tjäna som grund för övervakning av subtila biomolekylära interaktioner och dynamik."

Vattendroppar har använts för att bilda biologiska mikrolasrar som utnyttjar vattnets inneboende förmåga att begränsa ljus med minimal spridning. Dropplasrar drar nytta av laseroscillation i en mikrokavitet, så alla subtila förändringar som induceras av förstärkningsmediet eller kaviteten kan förstärkas, leder till dramatiska förändringar av laseremissionsegenskaper. Medan dropplasrar har blivit banbrytande plattformar inom biokemiska/fysiska studier och biomedicinska tillämpningar, den optiska interaktionen mellan droppresonatorer och ett gränssnitt har förblivit okänd.

Som rapporterat i Avancerad fotonik , Chens NTU-team upptäckte nyligen att när en vattendroppe interagerar med en yta för att bilda en kontaktvinkel, gränsytans molekylära krafter bestämmer geometrin hos en droppresonator. Dramatiska mekaniska förändringar vid gränssnittet spelar en betydande roll i den optiska oscillationen av droppresonatorer.

Chens grupp upptäckte en oscillationsmekanism av droppresonatorer, där lasern resonerar längs droppe-luftgränssnittet i vertikalplanet. Chen noterar att detta vertikalt orienterade "regnbågsliknande" eller "bågliknande" lasermodus reflekterar fram och tillbaka mellan droppgränssnittets två ändar, bildar en unik och extremt stark laseremission. Chens team märkte att till skillnad från det vanliga viskande galleriläget (WGM), denna nyupptäckta lasrmekanism är mycket känsligare för molekylära krafter i gränsytan. Enligt Chen, "De lasrande emissionerna från detta bågliknande läge ökar dramatiskt med ökningen av hydrofobiciteten i gränssnittet, samt droppkontaktvinkel. "

För att försöka förklara detta moduleringsfenomen, Chens team fann också att kvalitetsfaktorn för nya lasrlägen ökade avsevärt med en ökande droppkontaktvinkel. Och antalet oscillationsvägar för lasrmoder i droppar ökade dramatiskt. "Tillsammans, dessa två faktorer bestämmer förbättringen av lasrande emissioner med styrkan av molekylära krafter i gränsytan, säger Chen.

Baserat på deras upptäckt, Chens team undersökte möjligheten att använda dropplasrar för att registrera mekaniska förändringar vid biogränssnitt. Som väntat, de fann att en liten förändring av gränsytets biomolekylära krafter, inducerad av en mycket låg koncentration av biomolekyler, såsom peptider eller proteiner, kan registreras av de lasrande emissionerna från dropplasrar.

Enligt Chen, "Detta arbete visar en viktig modulerande mekanism i droppresonatorer och visar potentialen för att utnyttja optiska resonatorer för att förstärka förändringarna av intermolekylära krafter." Lasermekanisminsikter öppnar nya möjligheter för att använda mikrolasrar för att studera biomekaniska interaktioner och gränssnittsfysik. Eftersom dropplasrar kan ge en ny plattform för att studera de intermolekylära fysiska interaktionerna vid gränssnittet, de kan vara särskilt användbara för att undersöka hydrofoba interaktioner, som spelar en viktig roll i många fysiska dynamik och biologiska system.