Het vormgeven van nanometrische gouddeeltjes - ter grootte van een miljoenste van een millimeter - om hun eigenschappen in de biogeneeskunde en fotonica te verbeteren, is mogelijk gemaakt dankzij een speciaal lasersysteem in een werk uitgevoerd aan de Universidad Complutense de Madrid (UCM) en nu gepubliceerd in Wetenschap .

Het onderzoek, waaraan ook de CIC biomaGUNE en de Universidad Politécnica de Madrid deelnemen, vertegenwoordigt niet alleen een record in optische kwaliteit waarin miljarden gouden nanodeeltjes zich als één enkele gedragen, maar introduceert een nieuwe manier om nanomaterialen te manipuleren en te verbeteren door lasers als beitels in de handen van een beeldhouwer te gebruiken.

"Door ultrasnelle lasers te gebruiken, die zeer intens zijn maar van zeer korte duur (in de orde van grootte van een miljard biljoen flitsen per seconde), we hebben een wereldrecord in optische kwaliteit gerealiseerd, waar alle verkregen gevormde deeltjes zich gedragen als klonen van nanoformaat", legt Andrés Guerrero Martínez uit, onderzoeker van het Ramón y Cajal Programma aan de Faculteit Chemische Wetenschappen van de UCM.

De studie levert de fysische en chemische aanwijzingen die nodig zijn om dergelijke nanomaterialen te begrijpen en te beheersen, beschouwd als "perfect" vanuit een optisch oogpunt.

"We hebben de afgelopen vijftien jaar geprobeerd identieke nanodeeltjes te verkrijgen, zodat ze allemaal dezelfde kleur hebben en hun toepassingen efficiënter zijn. In dit werk, we hebben ons gericht op het gebruik van gouden nanostaafjes, waarin minimale variaties in hun lengte of breedte resulteren in significante veranderingen in de kleur van het licht dat ze absorberen", zegt Luis Liz Marzán, wetenschappelijk directeur van CIC biomaGUNE en onderzoeker bij het Ikerbasque-programma.

Van tumorbehandeling tot sanering van vervuiling

De toepassingen van nanodeeltjes zijn afhankelijk van hun vermogen om licht van een specifieke kleur op een verrassend efficiënte manier te absorberen en te reflecteren. Deze zogenaamde plasmonische effecten resulteren in optische eigenschappen die niet bereikt kunnen worden met metalen van grotere afmetingen, zelfs op millimeterschaal.

Deze eigenschappen kunnen worden gebruikt voor een groot aantal nuttige toepassingen die, vaak, waren tot nu toe niet mogelijk. in de geneeskunde, niet alleen het licht dat door deze deeltjes wordt gereflecteerd, kan worden gebruikt om ziekten te diagnosticeren, maar hun lichtabsorptie-eigenschappen kunnen ook worden benut om het vrijkomen van warmte te induceren voor, bijvoorbeeld, de behandeling van tumoren op een gelokaliseerde manier, waardoor de gebruikelijke bijwerkingen van de huidige behandelingen worden geminimaliseerd.

"Plasmonische deeltjes hebben ook toepassingen gevonden in gebieden zoals informatietechnologie, energie productie, of de bestrijding van milieuvervuiling, onder andere", zegt Guillermo González Rubio, co-auteur van de paper die is gepromoveerd aan de UCM onder supervisie van Andrés Guerrero Martínez en Luis Liz Marzán.

Een andere nieuwigheid van dit werk is de toepassing van ultrasnelle lasers om de geometrie van de deeltjes vorm te geven en hun eigenschappen te verfijnen. In dit geval, Luis Banares, hoogleraar aan het UCM en co-auteur van het artikel, werkt bij het Ultrafast Laser Center (CLUR) van het UCM.

Verder, om de chemische en fysische aard van het vormgevingsproces te begrijpen, standaard karakteriseringstechnieken (spectroscopie en elektronenmicroscopie) zijn toegepast, evenals nieuwe theoretische modellen en geavanceerde computersimulatietechnieken.

Volgens Ovidio Rodríguez Peña, een onderzoeker bij de UPM, "de demonstratie van dit doel en de verklaring van de processen die dit mogelijk maken, vertegenwoordigen een paradigmaverschuiving die nieuwe wegen kan openen voor de ontwikkeling van nanomaterialen met verbeterde eigenschappen en toepassingen".