(Phys.org) —De ontwikkeling van een 'nanobarrel' die licht vangt en concentreert op afzonderlijke moleculen zou kunnen worden gebruikt als een goedkope en betrouwbare diagnostische test.

Jeremy Baumberg en zijn 30-koppige team van onderzoekers zijn meesterlijke manipulatoren van licht. Ze zijn specialisten in nanofotonica - de controle over hoe licht interageert met kleine brokken materie, op schalen zo klein als een miljardste van een meter. Het is een gebied van natuurkunde dat 20 jaar geleden onbekend was.

De kern van nanofotonica is het idee dat het veranderen van de structuur van materialen op de schaal van een paar atomen kan worden gebruikt om niet alleen de manier te veranderen waarop licht interageert met het materiaal, maar ook de functionele eigenschappen.

"Het doel is om op zeer kleine schaal materialen te ontwerpen met een echt ingewikkelde architectuur, zo klein dat het kleiner is dan de golflengte van licht, " zei Baumberg, Hoogleraar Nanophotonics bij de vakgroep Natuurkunde. "Of het uitgangsmateriaal polystyreen of goud is, het veranderen van de vorm van zijn nanostructuur kan ons buitengewone controle geven over hoe lichtenergie wordt geabsorbeerd door de elektronen die erin zijn opgesloten. We leren hoe we dit kunnen gebruiken om nieuwe functionaliteit te ontwikkelen."

Een van hun recente prestaties is het ontwikkelen van synthetische materialen die enkele van de meest opvallende kleuren van de natuur nabootsen, waaronder de iriserende tint van opalen. Natuurlijk voorkomende opalen worden gevormd

'Polymeer opalen', echter, zijn van plastic – zoals het piepschuim in drinkbekers – en worden binnen enkele minuten gevormd. Met wat slimme chemie, de onderzoekers hebben een manier gevonden om bolletjes van polystereen te maken die zijn omhuld met een zachte kauwgomachtige buitenschaal.

Omdat deze polymeeropalen worden gedraaid en uitgerekt, 'metallic' blauwgroene kleuren rimpelen over hun oppervlak. Hun flexibiliteit en de duurzaamheid van hun intense kleur maken ze tot ideale materialen voor veiligheidskaarten en bankbiljetten of om giftige kleurstoffen in de textielindustrie te vervangen.

"Het cruciale is dat je door dingen op de juiste manier te assembleren de functie krijgt die je wilt, " zei Baumberg, die de polymeeropalen ontwikkelde met medewerkers in Duitsland (bij de DKI, nu het Fraunhofer Instituut voor structurele duurzaamheid en systeembetrouwbaarheid). "Als de bollen willekeurig zijn, het materiaal ziet er wit of kleurloos uit, maar als je perfect regelmatig stapelt, krijg je kleur. We hebben ontdekt dat als je de bollen tegen elkaar smeert ze op magische wijze in regelmatige lijnen vallen en, vanwege de kauwgomlaag, als je het uitrekt, verandert ook de kleur.

"Het is zo'n goed voorbeeld van nanotechnologie - we nemen een transparant materiaal, we snijden het in de juiste vorm, we stapelen het op de juiste manier en we krijgen een compleet nieuwe functie."

Hoewel nanofotonica een relatief nieuw gebied van materiaalonderzoek is, Baumberg gelooft dat we binnen twee decennia nanofotonische materialen zullen gaan zien in alles, van slim textiel tot gebouwen en voedselkleuring tot zonnecellen.

Nutsvoorzieningen, een van de nieuwste ontdekkingen van het team lijkt toepassingen in de medische diagnostiek te openen.

"We beginnen te leren hoe we materialen kunnen maken die optisch reageren op de aanwezigheid van individuele moleculen in biologische vloeistoffen, ' legde hij uit. 'Hier is veel vraag naar. Huisartsen willen de patiënt kunnen testen terwijl ze wachten, in plaats van monsters weg te sturen voor klinische tests. En goedkope en betrouwbare tests zouden ten goede komen aan ontwikkelingslanden die geen dure diagnostische apparatuur hebben."

Een veelgebruikte techniek in de medische diagnostiek is Raman-spectroscopie, die de aanwezigheid van een molecuul detecteert door zijn 'optische handtekening'. Het meet hoe licht verandert als het weerkaatst op een molecuul, die op zijn beurt afhangt van de bindingen in het molecuul. Echter, de machines moeten zeer krachtig zijn om te detecteren wat vrij zwakke effecten kunnen zijn.

Baumberg heeft samengewerkt met Dr. Oren Scherman, Directeur van het Melville Laboratory for Polymer Synthesis in de afdeling Chemie, op een geheel nieuwe manier om moleculen te detecteren die ze hebben ontwikkeld met behulp van een tonvormige moleculaire container genaamd cucurbituril (CB). Gedraagt ​​zich als een kleine reageerbuis, CB zorgt ervoor dat afzonderlijke moleculen hun tonvorm kunnen binnendringen, ze effectief isoleren van een mengsel van moleculen.

In samenwerking met onderzoekers in Spanje en Frankrijk, en met financiering van de Europese Unie, Baumberg en Scherman hebben een manier gevonden om met licht te detecteren wat er in elk vat zit. door de vaten te combineren met gouddeeltjes met een diameter van slechts een paar duizend atomen.

"Door licht op dit goud-vatmengsel te laten schijnen, worden de lichtgolven gefocust en versterkt tot kleine ruimtevolumes precies waar de moleculen zich bevinden, " legde Baumberg uit. "Door naar de kleuren van het verstrooide licht te kijken, we kunnen achterhalen welke moleculen aanwezig zijn en wat ze doen, en met een zeer hoge gevoeligheid."

Terwijl de meeste meetapparatuur nauwkeurige omstandigheden vereist die alleen in het laboratorium kunnen worden bereikt, deze nieuwe technologie heeft het potentieel om een ​​goedkope, betrouwbare en snelle sensor voor massamarkten. De hoeveelheid goud die nodig is voor de test is extreem klein, en de gouddeeltjes assembleren zichzelf met CB bij kamertemperatuur.

Nutsvoorzieningen, met financiering van de Engineering and Physical Sciences Research Council, en werken met bedrijven en potentiële eindgebruikers (inclusief de NHS), Baumberg en Scherman zijn begonnen met het ontwikkelen van hun 'plasmonische sensoren' om biologische vloeistoffen zoals urine en tranen te testen, voor toepassingen zoals het detecteren van neurotransmitters in de hersenen en eiwitincompatibiliteit tussen moeder en foetus.

"Tegelijkertijd, we willen begrijpen hoe we verder kunnen met de technologie, van het beheersen van chemische reacties die plaatsvinden in het vat, om gevangen moleculen in zichzelf te laten 'buigen', en het detecteren van elk van deze wijzigingen door middel van kleurverandering, ", voegde Baumberg eraan toe.

“Het vermogen om naar kleine aantallen moleculen te kijken in een zee van andere spreekt wetenschappers al jaren aan. Binnenkort kunnen we dit op ongekende schaal:in realtime kijken hoe moleculen samenkomen en chemische reacties ondergaan, en zelfs hoe ze een band vormen. Dit heeft enorme implicaties voor het optimaliseren van katalyse in industrieel relevante processen en vormt daarom de kern van bijna elk product in ons leven."

Baumberg beschouwt nanofotonica-technologie als een geheel nieuwe gereedschapskist. "De opwinding voor mij is de uitdaging hoe moeilijk de taak is gecombineerd met het feit dat je kunt zien dat, als je het maar kon, je kunt dingen naar buiten brengen die ongelooflijk zijn.

"Op dit moment zijn we in staat om op een zeer gecontroleerde manier nieuwe structuren met verschillende optische eigenschappen samen te stellen. Hoewel, we zullen in staat zijn om dingen te bouwen met licht zelf."