Wanneer halfgeleider nanostaafjes worden blootgesteld aan licht, ze knipperen in een schijnbaar willekeurig patroon. Door nanostaafjes samen te clusteren, natuurkundigen van de Universiteit van Pennsylvania hebben aangetoond dat hun gecombineerde "aan"-tijd drastisch wordt verhoogd, wat nieuw inzicht geeft in dit mysterieuze knippergedrag.

Het onderzoek is uitgevoerd door de groep van universitair hoofddocent Marija Drndic, waaronder afgestudeerde student Siying Wang en postdoctorale fellows Claudia Querner en Tali Dadosh, alle van de afdeling Natuur- en Sterrenkunde in Penn's School of Arts and Sciences. Ze werkten samen met Catherine Crouch van Swarthmore College en Dmitry Novikov van de New York University's School of Medicine.

Hun onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Wanneer voorzien van energie, hetzij in de vorm van licht, elektriciteit of bepaalde chemicaliën, veel halfgeleiders zenden licht uit. Dit principe is aan het werk in light-emitting diodes, of LED's, die te vinden zijn in een willekeurig aantal consumentenelektronica.

Op macroschaal, deze elektroluminescentie is consistent; LED-lampen, bijvoorbeeld, kan jarenlang schijnen met een fractie van de energie die wordt gebruikt door zelfs compacte fluorescentielampen. Maar wanneer halfgeleiders worden verkleind tot nanometergrootte, in plaats van gestaag te schijnen, ze gaan "aan" en "uit" op een onvoorspelbare manier, schakelen tussen licht uitstralen en donker zijn voor een variabele tijdsduur. Voor het decennium sinds dit werd waargenomen, veel onderzoeksgroepen over de hele wereld hebben geprobeerd het mechanisme van dit fenomeen te ontdekken, wat nog steeds niet helemaal begrepen wordt.

"Knipperen is al meer dan tien jaar bestudeerd in veel verschillende materialen op nanoschaal, omdat het verrassend en intrigerend is, maar het zijn de statistieken van het knipperen die zo ongewoon zijn, Drndic zei. "Deze nanostaafjes kunnen voor alle tijdschalen 'aan' en 'uit' zijn, van een microseconde tot uren. Daarom werkten we samen met Dmitry Novikov, die stochastische verschijnselen in fysische en biologische systemen bestudeert. Deze ongebruikelijke Levi-statistieken ontstaan ​​wanneer veel factoren op verschillende tijdschalen met elkaar concurreren, wat resulteert in een nogal complex gedrag, met voorbeelden variërend van aardbevingen tot biologische processen tot beursschommelingen."

Drndic en haar onderzoeksteam, door een combinatie van beeldvormende technieken, hebben aangetoond dat het clusteren van deze nanostaafjes-halfgeleiders hun totale "aan"-tijd aanzienlijk verhoogt in een soort "kampvuureffect". Het toevoegen van een staaf aan het cluster heeft een vermenigvuldigend effect op de "aan"-periode van de groep.

"Als je nanostaafjes bij elkaar zet, als ze allemaal in zeldzame korte flitsen knipperen, je zou denken dat de maximale 'aan' tijd voor de groep niet veel groter zal zijn dan die voor één nanostaafje, omdat hun bursts elkaar meestal niet overlappen, " zei Novikov. "Wat we zien zijn zeer langdurige 'on' bursts wanneer nanostaafjes heel dicht bij elkaar zijn, alsof ze elkaar helpen om te blijven stralen, of 'branden.'"

Drndic's groep demonstreerde dit door cadmiumselenide nanostaafjes op een substraat af te zetten, schijnt een blauwe laser op hen, vervolgens video opnemen onder een optische microscoop om het rode licht te observeren dat de nanostaafjes vervolgens uitzonden. Hoewel die techniek gegevens opleverde over hoe lang elk cluster "aan was, " het team moest transmissie-elektronenmicroscopie gebruiken, of TEM, om elk individu te onderscheiden, Staaf van 5 nanometer en meet de grootte van elk cluster.

Een reeks gouden rasterlijnen stelde de onderzoekers in staat om individuele nanostaafclusters te labelen en te lokaliseren. Wang legde vervolgens nauwkeurig ongeveer duizend aan elkaar gestikte TEM-afbeeldingen over de luminescentiegegevens die ze met de optische microscoop nam. De onderzoekers observeerden het "kampvuureffect" in clusters zo klein als twee en zo groot als 110, toen het cluster effectief macroschaaleigenschappen kreeg en helemaal stopte met knipperen.

Hoewel het exacte mechanisme dat deze langdurige luminescentie veroorzaakt nog niet kan worden vastgesteld, De bevindingen van Drndic's team ondersteunen het idee dat interacties tussen elektronen in het cluster aan de basis liggen van het effect.

"Door van het ene uiteinde van een nanostaafje naar het andere te gaan, of anderszins van positie veranderen, we veronderstellen dat elektronen in één staaf die in aangrenzende staven kunnen beïnvloeden op manieren die het vermogen van de andere staafjes om licht af te geven, vergroten, Crouch zei. "We hopen dat onze bevindingen inzicht zullen geven in deze interacties op nanoschaal, en helpen bij het begeleiden van toekomstig werk om het knipperen in enkele nanodeeltjes te begrijpen."

Omdat nanostaafjes een orde van grootte kleiner kunnen zijn dan een cel, maar kan een signaal uitzenden dat relatief gemakkelijk onder een microscoop kan worden gezien, ze zijn lang beschouwd als potentiële biomarkers. Hun inconsistent patroon van verlichting, echter, heeft hun nut beperkt.

"Biologen gebruiken halfgeleider nanokristallen als fluorescerende labels. Een belangrijk nadeel is dat ze knipperen, Drndic zei. „Als de emissietijd tot vele minuten zou kunnen worden verlengd, worden ze veel bruikbaarder. Met de verdere ontwikkeling van de synthese, misschien kunnen clusters worden ontworpen als verbeterde labels."

Toekomstig onderzoek zal meer geordende nanostaafassemblages en gecontroleerde scheidingen tussen deeltjes gebruiken om de details van deeltjesinteracties verder te bestuderen.