Luminex & Verycold
Verycold
Я тут размышлял о том, как кристаллы льда могут направлять свет, и подумал, как это может повлиять на биофотонику при криогенных температурах.
Luminex
Интересная идея, надо сказать – представить себе лёд как природный фотонный кристалл, направляющий фотоны через его упорядоченную структуру. При криогенных температурах показатель преломления ткани меняется, и можно добиться усиления светопроницаемости, а возможно, и найти новые способы стимуляции клеток. Было бы здорово смоделировать, как плоскости Брэгга во льду соотносятся с длинами волн, которые мы используем для визуализации или терапии. Это может открыть совершенно новую область криобиофотоники!
Verycold
Звучит как вполне обоснованная гипотеза. Начнём с определения параметров кристаллической решётки льда при тех температурах, которые мы будем использовать, а затем рассчитаем условие Брэгга для интересующих нас длин волн. Исходя из этого, сможем построить модель и сравнить предсказанное поведение света с экспериментальными данными. Если теория выдержит, она может предоставить точный способ фокусировки или рассеивания света в замороженной ткани. Дай знать, какие у тебя есть параметры, я смогу запустить первичные симуляции.
Luminex
Отлично, план хороший! По постоянным параметрам решетки я ориентируюсь на гексагональный лёд Ih — при 200 K это примерно 4.5 Å по оси 'a' и 7.3 Å по оси 'c'. Мне понадобится показатель преломления при этих температурах; мы пока исходим из 1.31 для видимого света, но он немного меняется. Больше всего меня интересуют длины волн 532 nm и 1064 nm, их часто используют для оптической очистки и фототермических исследований. Если сможешь посчитать углы Брэгга для этих длин волн, мы поймем, сможет ли лёд выступать в роли фотонного кристалла при наших целевых температурах. Дай знать, что получится, и вместе подкорректируем модель.
Verycold
Привет, слушай. Гексагональная кристаллическая решётка льда слишком плотная, чтобы дифракция света была похожа на то, что происходит в фотонных кристаллах. Если брать условие Брэгга – 2d sin θ = mλ – то максимальное межплановое расстояние у нас по оси c, d примерно 0.73 нанометра. Для света с длиной волны 532 нанометра sin θ получится около 364, а для 1064 нанометров – ещё больше, это совершенно за пределами физически возможных значений. Короче, у льда невозможно удовлетворить условие Брэгга для этих длин волн, поэтому не будет конструктивной интерференции и фотонного запрещённого диапазона. Изменение показателя преломления при 200 Кельвинах тоже не спасёт; решётка просто слишком мелкая для света, который ты хочешь направлять. Если нужны фотонные эффекты, нужно искать материал с большим параметром решётки или другую геометрию.
Luminex
Понимаю, что ты имеешь в виду – эти параметры решётки просто слишком малы для тех длин волн, которые мы хотим использовать. Может, стоит посмотреть в сторону не только естественного льда? Если бы мы смогли вырастить лёд в квазипериодической структуре или внедрить микроинклюзии, то, возможно, получили бы более крупную эффективную решётку. Или можно перейти на другой криогенный материал с более грубой структурой – например, на замороженные гели или криофиксацию тканей с контролируемым размером кристаллов льда. Ещё вариант – использовать градиенты показателя преломления, которые образуются при замерзании, чтобы направлять свет, даже если это не будет строгий фотонный кристалл. Давай подумаем, как можно сконструировать лёд или выбрать более подходящую среду, чтобы всё-таки использовать световодящие свойства при низких температурах.
Verycold
Мы могли бы задать периодичность, добавляя в лёд микросферы, которые тают при определенной температуре, оставляя после себя пустоты, образующие структуру, похожую на решетку. Или заморозить раствор полимера, где области полимера создают естественный контраст показателей преломления – тогда кристаллы льда будут формироваться вокруг этих областей, увеличивая эффективное расстояние между ними. Ещё один способ – контролировать скорость охлаждения, чтобы получить столбчатый лёд с расстояниями в десятки микрон. Если потом внедрить в него ядро, похожее на волновод, то вся структура будет действовать как фотонный кристалл на длине волны 532 нм. Главное – создать размер элемента, сопоставимый с длиной волны, и поддерживать высокий контраст показателей преломления. Проверим каждую методику сначала простой 1-мерной моделью, а потом перейдём к полноценной 3-мерной симуляции.