Pequenas forças moleculares na superfície das gotículas de água podem desempenhar um grande papel nas emissões de laser. Como a matriz de vida mais fundamental, a água impulsiona inúmeras atividades biológicas essenciais, por meio de interações com biomoléculas e organismos. O estudo dos efeitos mecânicos das interações envolvendo a água contribui para a compreensão dos processos bioquímicos. De acordo com Yu-Cheng Chen, professor de engenharia eletrônica na Universidade Tecnológica de Nanyang (NTU), "À medida que a água interage com a superfície, a hidrofobicidade na biointerface determina principalmente o equilíbrio mecânico da água. A hidrofobicidade molecular na interface pode servir como base para monitorar a dinâmica e as interações biomoleculares sutis. "

Gotículas de água têm sido usadas para formar microlasers biológicos que exploram a capacidade intrínseca da água de confinar a luz com dispersão mínima. Lasers de gota se beneficiam da oscilação do laser em uma microcavidade, portanto, quaisquer mudanças sutis induzidas pelo meio de ganho ou cavidade podem ser amplificadas, levando a mudanças dramáticas nas características de emissão do laser. Embora os lasers de gotículas tenham se tornado plataformas de ponta em estudos bioquímicos / físicos e aplicações biomédicas, a interação óptica entre ressonadores de gotículas e uma interface permaneceu desconhecida.

Conforme relatado em Fotônica Avançada , A equipe da NTU de Chen descobriu recentemente que, quando uma gota de água interage com uma superfície para formar um ângulo de contato, as forças moleculares interfaciais determinam a geometria de um ressonador de gotículas. Mudanças mecânicas dramáticas na interface desempenham um papel significativo na oscilação óptica de ressonadores de gotículas.

O grupo de Chen descobriu um mecanismo de oscilação de ressonadores de gotículas, em que o laser ressoa ao longo da interface gota-ar no plano vertical. Chen observa que este modo de laser orientado verticalmente 'tipo arco-íris' ou 'tipo arco' reflete para frente e para trás entre as duas extremidades da interface da gota, formando uma emissão de laser única e extremamente forte. A equipe de Chen percebeu que, ao contrário do modo de galeria de sussurros comumente visto (WGM), este mecanismo de laser recém-descoberto é muito mais sensível às forças moleculares interfaciais. De acordo com Chen, "As emissões de laser deste modo semelhante a arco aumentam dramaticamente com o incremento da hidrofobia interfacial, bem como o ângulo de contato da gota. "

Buscando explicar esse fenômeno modulante, A equipe de Chen também descobriu que o fator de qualidade dos novos modos de laser aumentou significativamente com o aumento do ângulo de contato da gota. E o número de caminhos de oscilação de modos de laser em gotas aumentou dramaticamente. "Juntos, esses dois fatores determinam o aumento das emissões de laser com a força das forças moleculares interfaciais, "diz Chen.

Com base em sua descoberta, A equipe de Chen explorou a possibilidade de empregar lasers de gotículas para registrar mudanças mecânicas em biointerfaces. Como previsto, eles descobriram que uma pequena mudança nas forças biomoleculares interfaciais, induzida por uma concentração muito baixa de biomoléculas, como peptídeos ou proteínas, pode ser registrado pelas emissões de lasers de gotículas de laser.

De acordo com Chen, "Este trabalho demonstra um importante mecanismo de modulação em ressonadores de gotículas e mostra o potencial de exploração de ressonadores ópticos para amplificar as mudanças de forças intermoleculares." As percepções do mecanismo de lasing abrem novas perspectivas para o uso de microlasers para estudar interações biomecânicas e física de interface. Como os lasers de gota podem fornecer uma nova plataforma para estudar as interações físicas intermoleculares na interface, eles podem ser particularmente úteis para examinar as interações hidrofóbicas, que desempenham um papel vital em várias dinâmicas físicas e sistemas biológicos.