由巴斯大学物理学家领导的国际科学家团队发现了微小粒子的一种新型非线性光学特性，这对显示技术、化学催化和医学等不同领域的研究人员具有重要意义。

这种新特性是当光穿过微小粒子(大小与光的波长相似)时，散射出的颜色与照明光不同。散射光的频率为“二次谐波频率”，即其频率是照明光频率的两倍。

这项研究发表在《ACS Nano》上，旨在探索丁达尔效应——比纳米粒子大但比微粒小的粒子发生光散射的现象。这种尺寸的粒子包括病毒和单细胞生物，如细菌。

当用白光照射时，这些粒子会呈现蓝色(蓝眼睛的颜色也归功于丁达尔效应)。

二阶谐波丁达尔散射

分散在液体中的无机颗粒有许多用途，包括给油漆和塑料添加颜色、紫外线防护霜(氧化锌和二氧化钛散射紫外线但让可见光通过)、催化(加速或促进化学反应)和医疗治疗(例如封装药物并将其输送到目标;选择性切割 DNA 和杀死病毒)。

对于所有这些应用，研究人员必须准确、实时地表征粒子的大小和形状。

光是对水中粒子进行此类分析的最佳方法，水中通常是粒子所处的介质。当粒子被照射时，它们的散射光会包含有关其大小和几何形状的信息。

分析颗粒大小的几种方法都依赖于廷德尔效应。大多数方法都依赖于弱光源(通常是灯)，收集到的散射光与照明颜色相同。其他更复杂的方法则依赖于激光光源。这项新研究将科学家对激光散射光的理解提升到了一个新的水平。

领导巴斯团队和这项研究的文西斯拉夫·瓦列夫教授解释说：“在廷德尔的实验中使用长光波激光时，可以产生不同颜色的光(短波)，然后散射。新颜色对应于照明光振动的两倍。

“这一发现于 1965 年在福特汽车公司的实验室中取得，适用于所有尺寸的粒子。但如果粒子的尺寸符合廷德尔效应范围，那么照明光和新产生的光就可以在空间中更好地分离。基本上，廷德尔效应按尺寸对光波进行分类。

“但是，直到现在，通过这项新研究，有一个几何特性仍然无法观察到：手性!”

扭曲的分子

手性是几乎所有长度尺度上的基本几何特性。在人类和其他生物体中，所有功能性氨基酸都是手性的，糖、蛋白质等也是如此。手性以分子扭转的方向(顺时针或逆时针)表示，类似于 DNA 螺旋的扭转。

在这项新研究中，来自美国的团队成员制造了长度约 270 纳米的硅螺旋，其尺寸与某些病毒、大型外泌体和噬菌体相当。

瓦列夫教授表示：“我们发现，当我们用手性(或圆偏振)激光照射这些螺旋时，散射光可以告诉我们硅螺旋的最终走向。

“这一点很重要，因为硅是地球上最丰富的固体元素，所以每一种新特性都具有可持续且经济高效的应用潜力。

“另一个原因是，测量扭曲度(手性)对于从纳米技术构件组装无机材料至关重要。其重要性类似于制造并能够测量标准化螺钉的螺纹。”

展望未来，瓦列夫教授表示：“现在我们已经了解了水中单个螺旋的特性，下一步就是开始修改它们，最终将它们构建成自组装材料。”

这项研究论文的第一作者、博士生本·奥洛汉 (Ben Olohan) 表示：“这里的关键是生物过程从分子延伸到细胞组合甚至更远。与丁达尔散射的长度尺度相比，在更小和更大的粒子上也观察到了类似的效应。

“因此，这种中等长度尺度效应肯定存在，只是尚未被观察到。这就是为什么我一直在努力寻找它的证明。对于我的博士项目来说，找到科学中这样一个‘缺失的环节’让我感到非常满意。”