NCSU-tutkimus voisi tarkoittaa nopeampia mikrosiruja ja kvanttilaskentasovelluksia
Julkaisupäivä:Tutkijat, jotka haluavat syntetisoida kirkkaamman ja vakaamman nanopartikkelin optisiin sovelluksiin, havaitsivat, että niiden luomisessa oli sen sijaan yllättävämpi ominaisuus: superfluoresenssipurkaukset, joita tapahtui sekä huoneenlämpötilassa että säännöllisin väliajoin. Työ voi johtaa nopeampien mikrosirujen, neurosensoreiden tai materiaalien kehittämiseen kvanttilaskentasovelluksissa sekä useisiin biologisiin tutkimuksiin.
Superfluoresenssi tapahtuu, kun materiaalin atomit synkronoituvat ja samanaikaisesti lähettävät lyhyen mutta voimakkaan valopurskeen. Ominaisuus on arvokas kvanttioptisissa sovelluksissa, mutta erittäin vaikea saavuttaa huoneenlämmössä ja riittävän pitkillä aikaväleillä ollakseen hyödyllinen.
Tutkimusryhmä syntetisoi kyseessä olevan materiaalin – lantanidilla seostetun upconversion nanopartikkelin eli UCNP:n – tavoitteenaan luoda "kirkkaampi" optinen materiaali. He tuottivat kuusikulmaisia keraamisia kiteitä, joiden koko vaihteli 50 nanometristä (nm) 500 nm:iin, ja alkoivat testata niiden laserointiominaisuuksia, mikä johti useisiin vaikuttaviin läpimurtoihin.
Prosessi superkukinnan saavuttamiseksi huoneenlämpötilassa on esitetty Nature Photonicsin uudessa artikkelissa. (Kuva NCSU:n kautta)
Tutkijat etsivät aluksi laserointia, jossa yhdestä atomista säteilevä valo stimuloi toista lähettämään enemmän samaa valoa. He kuitenkin löysivät sen sijaan superfluoresenssin, jossa ensin kaikki atomit asettuvat kohdakkain ja sitten emittoivat yhdessä.
"Kun viritimme materiaalia eri laserintensiteetillä, huomasimme, että se lähettää kolme superfluoresenssipulssia säännöllisin väliajoin jokaista viritystä kohden", sanoo Pohjois-Carolinan osavaltion yliopiston fysiikan apulaisprofessori Shuang Fang Lin ja tutkimuksen kirjoittaja. . ”Ja pulssit eivät hajoa – jokainen pulssi on 2 nanosekuntia pitkä. Joten UCNP ei ainoastaan näytä superfluoresenssia huoneenlämmössä, se tekee sen myös säädeltävällä tavalla."
Huoneenlämpöistä superfluoresenssia on vaikea saavuttaa, koska atomien on vaikea säteillä yhdessä ilman, että ympäristö "potkaisee" niitä linjasta. UCNP:ssä valo tulee kuitenkin muiden elektronien alle "hautautuneilta" elektroniradoilta, jotka toimivat suojana ja mahdollistavat superfluoresenssin jopa huoneenlämpötilassa.
Lisäksi UCNP:n superfluoresenssi on teknisesti jännittävää, koska se on anti-Stokes-siirtymä, mikä tarkoittaa, että valon emittoidut aallonpituudet ovat lyhyempiä ja korkeampia energiaa kuin aallonpituudet, jotka käynnistävät vasteen.
"Tällaiset voimakkaat ja nopeat Stokes-siirtymän vastaiset superfluoresenssipäästöt sopivat täydellisesti lukuisiin uraauurtaviin materiaaleihin ja nanolääketieteen alustoihin", sanoo Gang Han, biokemian ja molekyylibiotekniikan professori Massachusettsin yliopiston Chan Medical Schoolista ja tutkimuksen toinen kirjoittaja. "Esimerkiksi UCNP:itä on käytetty laajasti biologisissa sovelluksissa taustameluttomasta biosensoinnista, tarkasta nanolääketieteestä ja syväkudoskuvauksesta solubiologiaan, visuaaliseen fysiologiaan ja optogenetiikkaan.
"Yksi haaste nykyisille UCNP-sovelluksille on kuitenkin niiden hidas säteily, mikä tekee havaitsemisesta usein monimutkaista ja epäoptimaalista. Mutta anti-Stokes Shift -superfluoresenssin nopeus on täydellinen muutos: 10 000 kertaa nopeampi kuin nykyinen menetelmä. Uskomme, että tämä superfluoresoiva nanopartikkeli tarjoaa vallankumouksellisen ratkaisun biokuvaukseen ja valohoitoihin, jotka odottavat puhdasta, nopeaa ja intensiivistä valonlähdettä.
UCNP:n ainutlaatuiset ominaisuudet voivat johtaa sen käyttöön useissa sovelluksissa.
"Ensinnäkin huonelämpötilakäyttö tekee sovelluksista paljon helpompaa", Lim sanoo. "Ja 50 nm:ssä tämä on pienin tällä hetkellä olemassa oleva superfluoresoiva media. Koska voimme ohjata pulsseja, voisimme käyttää näitä kiteitä esimerkiksi ajastimina, neurosensoreina tai transistoreina mikrosiruilla. Ja isommat kiteet voisivat antaa meille vielä paremman hallinnan pulsseista."
Paperi "Room Temperature Upconverted Superfluorescence" tulee näkyviin Luonnon fotoniikka. Tutkimusta tuki Yhdysvaltain armeijan tutkimustoimisto W911NF2110283:lla. Kai Huang, UMass Chan Medical Schoolin tutkijatohtori, on ensimmäinen kirjoittaja.
(C) NCSU
Alkuperäinen artikkelin lähde: WRAL TechWire