Stelt u zich eens voor:een optische lens die zo krachtig is dat u de grootte van een klein virus kunt zien op het oppervlak van een levende cel in zijn natuurlijke omgeving.

De constructie van instrumenten met deze mogelijkheid is nu mogelijk vanwege een fundamentele vooruitgang in de kwaliteit van een optisch materiaal dat wordt gebruikt bij hyperlensing, een methode om lenzen te maken die objecten kunnen oplossen die veel kleiner zijn dan de golflengte van licht. De prestatie werd gemeld door een team van onderzoekers onder leiding van Joshua Caldwell, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Vanderbilt University, in een paper gepubliceerd op 11 december in het tijdschrift Natuurmaterialen .

Het betrokken optische materiaal is hexagonaal boornitride (hBN), een natuurlijk kristal met hyperlenseigenschappen. De best gerapporteerde resolutie met hBN was een object dat ongeveer 36 keer kleiner was dan de gebruikte infraroodgolflengte:ongeveer zo groot als de kleinste bacteriën. Het nieuwe artikel beschrijft verbeteringen in de kwaliteit van het kristal die de potentiële beeldvormingscapaciteit met ongeveer een factor tien verbeteren.

De onderzoekers bereikten deze verbetering door hBN-kristallen te maken met isotopisch gezuiverd boor. Natuurlijk boor bevat twee isotopen die ongeveer 10 procent in gewicht verschillen, een combinatie die de optische eigenschappen van het kristal in het infrarood aanzienlijk verslechtert.

"We hebben aangetoond dat de inherente efficiëntiebeperkingen van hyperlenzen kunnen worden overwonnen door isotopische engineering, " zei teamlid Alexander Giles, onderzoeksfysicus bij het U.S. Naval Research Laboratory. "Het beheersen en manipuleren van licht op nanoschaaldimensies is notoir moeilijk en inefficiënt. Ons werk biedt een nieuwe weg voorwaarts voor de volgende generatie materialen en apparaten."

Onderzoekers van de Universiteit van Californië, San Diego, Staatsuniversiteit van Kansas, Oak Ridge National Laboratory en Columbia University droegen ook bij aan het onderzoek.

De onderzoekers berekenden dat een lens gemaakt van hun gezuiverde kristal in principe beelden kan vastleggen van objecten zo klein als 30 nanometer groot. Om dit in perspectief te plaatsen, er zijn 25 miljoen nanometer in een inch en mensenhaar varieert van 80, 000 tot 100, 000 nanometer in diameter. Een menselijke rode bloedcel is ongeveer 9, 000 nanometer en virussen variëren van 20 tot 400 nanometer.

Door de jaren heen, wetenschappers hebben veel instrumenten ontwikkeld die afbeeldingen kunnen produceren met een resolutie op nanoschaal, zoals op elektronen gebaseerde en atoomkrachtmicroscopen. Echter, ze zijn onverenigbaar met levende organismen:ofwel opereren ze onder een hoog vacuüm, monsters bloot te stellen aan schadelijke stralingsniveaus, vereisen dodelijke monstervoorbereidingstechnieken zoals vriesdrogen of het verwijderen van monsters van hun natuurlijke, oplossingsgerichte omgeving.

De belangrijkste reden voor het ontwikkelen van hyperlenzen is het vooruitzicht dat ze zulke zeer gedetailleerde beelden van levende cellen in hun natuurlijke omgeving kunnen leveren met behulp van energiezuinig licht dat hen niet schaadt. In aanvulling, het gebruik van infrarood licht om de beeldvorming uit te voeren, kan ook spectroscopische informatie opleveren over de objecten die het afbeeldt, een middel bieden om het materiaal te 'vingerafdrukken'. Deze capaciteiten kunnen een aanzienlijke impact hebben op de biologische en medische wetenschap. De technologie heeft ook potentiële toepassingen in communicatie en optische componenten op nanoschaal.

De fysica van hyperlenzen is behoorlijk complex. Het detailniveau dat optische microscopen kunnen afbeelden, wordt beperkt door de golflengte van het licht en de brekingsindex van het lensmateriaal. In combinatie met de factoren van lensopening, afstand van het object tot de lens en de brekingsindex van het object onder observatie, dit vertaalt zich in een typische optische limiet van ongeveer de helft van de golflengte die voor beeldvorming wordt gebruikt. Bij de in dit experiment gebruikte infrarode golflengten, deze "diffractielimiet" is ongeveer 3, 250 nanometer. Deze limiet kan worden overschreden door hBN te gebruiken vanwege het vermogen om fonon-polaritonen aan het oppervlak te ondersteunen, hybride deeltjes bestaande uit fotonen van licht koppelen met trillende, geladen atomen in een kristal met golflengten die veel korter zijn dan het invallende licht.

Vroeger, het probleem met het gebruik van polaritonen op deze manier is de snelheid waarmee ze verdwijnen. Door gebruik te maken van hBN-kristallen gemaakt van 99 procent isotopisch zuiver boor, de onderzoekers hebben een dramatische vermindering van optische verliezen gemeten in vergelijking met natuurlijke kristallen, de levensduur van de polariton verdrievoudigen, waardoor ze driemaal de afstand kunnen afleggen. Deze verbetering vertaalt zich in een aanzienlijke verbetering van de beeldresolutie. De theoretische analyse van de onderzoekers suggereert dat er nog een factor tien verbetering mogelijk is.

"Momenteel, we hebben zeer kleine vlokken gezuiverd hBN getest, "zei Caldwell. "We denken dat we nog verdere verbeteringen zullen zien met grotere kristallen."

In 1654 ontdekte Anton van Leeuwenhoek een van de eerste handgemaakte microscopen om de voorheen onbekende wereld van het microscopisch leven te ontdekken. Deze laatste vooruitgang in de ontwikkeling van hyperlens is een belangrijke stap om de ontdekking van Van Leeuwenhoek naar een geheel nieuw niveau te tillen, een die biologen in staat stelt om cellulaire processen direct in actie te observeren, zoals virussen die cellen binnendringen of immuuncellen die vreemde indringers aanvallen.