Små bubblor kan lösa stora problem. Mikrobubblor - runt 1-50 mikrometer i diameter - har utbredda tillämpningar. De används för läkemedelstillförsel, membranrengöring, biofilm kontroll, och vattenbehandling. De har använts som ställdon i lab-on-a-chip-enheter för mikrofluidblandning, bläckstråleutskrift, och logiska kretsar, och inom fotonik litografi och optiska resonatorer. Och de har bidragit anmärkningsvärt till biomedicinsk avbildning och tillämpningar som DNA-infångning och manipulation.

Med tanke på det breda utbudet av applikationer för mikrobubblor, många metoder för att generera dem har utvecklats, inklusive luftströmskompression för att lösa upp luft i vätska, ultraljud för att framkalla bubblor i vatten, och laserpulser för att exponera substrat nedsänkta i vätskor. Dock, dessa bubblor tenderar att spridas slumpmässigt i vätska och ganska instabila.

Enligt Baohua Jia, professor och grundare av Center for Translational Atomaterials vid Swinburne University of Technology, "För applikationer som kräver exakt bubbelposition och storlek, samt hög stabilitet — t.ex. i fotoniska applikationer som avbildning och fångst—skapande av bubblor på exakta positioner med kontrollerbar volym, krökning, och stabilitet är viktigt." Jia förklarar att, för integration i biologiska eller fotoniska plattformar, det är mycket önskvärt att ha välkontrollerade och stabila mikrobubblor tillverkade med användning av en teknik som är kompatibel med nuvarande processteknik.

Ballonger i grafen

Jia och andra forskare från Swinburne University of Technology slog sig nyligen ihop med forskare från National University of Singapore, Rutgers University, University of Melbourne, och Monash University, att utveckla en metod för att generera exakt kontrollerade grafenmikrobubblor på en glasyta med hjälp av laserpulser. Deras rapport publiceras i den peer-reviewed, öppen journal, Avancerad fotonik .

Gruppen använde grafenoxidmaterial, som består av grafenfilm dekorerad med syrefunktionella grupper. Gaser kan inte tränga igenom grafenoxidmaterial, så forskarna använde laser för att lokalt bestråla grafenoxidfilmen för att generera gaser som skulle kapslas in i filmen för att bilda mikrobubblor - som ballonger. Han Lin, Senior forskare vid Swinburne University och första författare på tidningen, förklarar, "På det här sättet, mikrobubblornas positioner kan väl kontrolleras av lasern, och mikrobubblorna kan skapas och elimineras efter behag. Sålänge, mängden gaser kan styras av bestrålningsområdet och bestrålningseffekten. Därför, hög precision kan uppnås."

En sådan högkvalitativ bubbla kan användas för avancerade optoelektroniska och mikromekaniska enheter med höga precisionskrav.

Forskarna fann att den höga enhetligheten hos grafenoxidfilmerna skapar mikrobubblor med en perfekt sfärisk krökning som kan användas som konkava reflekterande linser. Som ett skyltfönster, de använde de konkava reflekterande linserna för att fokusera ljus. Teamet rapporterar att linsen presenterar en högkvalitativ brännpunkt i en mycket bra form och kan användas som ljuskälla för mikroskopisk avbildning.

Lin förklarar att de reflekterande linserna också kan fokusera ljus vid olika våglängder vid samma brännpunkt utan kromatisk aberration. Teamet demonstrerar fokuseringen av ett ultrabredbandigt vitt ljus, täcker synligt för nära infrarött område, med samma höga prestanda, vilket är särskilt användbart vid kompaktmikroskopi och spektroskopi.

Jia påpekar att forskningen ger "en väg för att generera mycket kontrollerade mikrobubblor efter behag och integration av grafenmikrobubblor som dynamiska och högprecisions nanofotoniska komponenter för miniatyriserade lab-on-a-chip-enheter, tillsammans med breda potentiella tillämpningar inom högupplöst spektroskopi och medicinsk bildbehandling."