Onderzoekers hebben een manier gevonden om met nanodeeltjes beklede microscopisch kleine kralen om te zetten in lasers die kleiner zijn dan rode bloedcellen.

Deze microlasers, die infrarood licht omzetten in licht op hogere frequenties, behoren tot de kleinste continu emitterende lasers in hun soort die ooit zijn gerapporteerd en kunnen urenlang constant en stabiel licht uitstralen, zelfs wanneer ondergedompeld in biologische vloeistoffen zoals bloedserum.

de innovatie, ontdekt door een internationaal team van wetenschappers van het Lawrence Berkeley Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy, opent de mogelijkheid voor het afbeelden of beheersen van biologische activiteit met infrarood licht, en voor de fabricage van op licht gebaseerde computerchips. Hun bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een rapport dat op 18 juni online is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

De unieke eigenschappen van deze lasers, met een doorsnede van 5 micron (miljoensten van een meter), werden per ongeluk ontdekt toen onderzoekers het potentieel voor de polymeer (plastic) kralen bestudeerden, samengesteld uit een doorschijnende stof die bekend staat als een colloïde, te gebruiken bij beeldvorming van de hersenen.

Engel Fernandez-Bravo, een postdoctoraal onderzoeker bij Berkeley Lab's Molecular Foundry, wie was de hoofdauteur van de studie, mengde de kralen met natriumyttriumfluoride nanodeeltjes "gedoteerd, " of ingebed, met thulium, een element dat behoort tot een groep metalen die bekend staat als lanthaniden. The Molecular Foundry is een onderzoekscentrum voor nanowetenschappen dat openstaat voor onderzoekers van over de hele wereld.

Emory Chan, een Staff Scientist bij de Molecular Foundry, had in 2016 rekenmodellen gebruikt om te voorspellen dat met thulium gedoteerde nanodeeltjes die worden blootgesteld aan infrarood laserlicht met een specifieke frequentie, licht met een hogere frequentie dan dit infraroodlicht zouden kunnen uitzenden in een contra-intuïtief proces dat bekend staat als 'upconversie'.

Ook in die tijd Elisabeth Levy, vervolgens een deelnemer aan het Summer Undergraduate Laboratory Internship (SULI) -programma van het Lab, merkte op dat kralen bedekt met deze "upconverting nanodeeltjes" onverwacht helder licht uitstraalden op zeer specifieke golflengten, of kleuren.

"Deze pieken waren duidelijk periodiek en duidelijk reproduceerbaar, " zei Emory Chan, die samen met de Foundry Staff Scientists Jim Schuck (nu aan de Columbia University) en Bruce Cohen de studie leidde.

De periodieke pieken die Chan en Levy hadden waargenomen, zijn een op licht gebaseerde analoog aan de zogenaamde "fluistergalerij"-akoestiek die ervoor kan zorgen dat geluidsgolven langs de muren van een ronde kamer kaatsen, zodat zelfs een gefluister aan de andere kant te horen is van de Kamer. Dit fluistergalerij-effect werd aan het eind van de 19e eeuw waargenomen in de koepel van de St. Paul's Cathedral in Londen, bijvoorbeeld.

In de laatste studie, Fernandez-Bravo en Schuck ontdekten dat wanneer een infrarode laser de met thulium gedoteerde nanodeeltjes langs het buitenoppervlak van de kralen opwekt, het licht dat door de nanodeeltjes wordt uitgestraald, kan rond het binnenoppervlak van de kraal kaatsen, net als gefluister dat langs de muren van de kathedraal weerkaatst.

Licht kan in een fractie van een seconde duizenden reizen rond de omtrek van de microbol maken, waardoor sommige frequenties van licht met zichzelf interageren (of "interfereren") om helderder licht te produceren, terwijl andere frequenties zichzelf opheffen. Dit proces verklaart de ongebruikelijke pieken die Chan en Levy hebben waargenomen.

Wanneer de intensiteit van het licht dat rond deze kralen reist een bepaalde drempel bereikt, het licht kan de emissie van meer licht met exact dezelfde kleur stimuleren, en dat licht beurtelings, kan nog meer licht stimuleren. Deze versterking van het licht, de basis voor alle lasers, produceert intens licht op een zeer smal golflengtebereik in de kralen.

Schuck had met lanthanide gedoteerde nanodeeltjes beschouwd als potentiële kandidaten voor microlasers, en hij raakte hiervan overtuigd toen Chan de periodieke fluistergalerijgegevens met hem deelde.

Fernandez-Bravo ontdekte dat wanneer hij de kralen blootstelde aan een infraroodlaser met voldoende kracht, de kralen veranderden in opconverterende lasers, met hogere frequenties dan de originele laser.

Hij ontdekte ook dat kralen laserlicht konden produceren met de laagste vermogens die ooit zijn geregistreerd voor het opwaarderen van op nanodeeltjes gebaseerde lasers.

"Door de lage drempels kunnen deze lasers urenlang continu werken met veel lagere vermogens dan eerdere lasers, ', zei Fernandez-Bravo.

Andere upconverting nanodeeltjeslasers werken slechts met tussenpozen; ze worden alleen blootgesteld aan korte, krachtige lichtpulsen omdat een langere blootstelling ze zou beschadigen.

"De meeste op nanodeeltjes gebaseerde lasers warmen zeer snel op en sterven binnen enkele minuten, " zei Schuck. "Onze lasers staan ​​altijd aan, waarmee we hun signalen voor verschillende toepassingen kunnen aanpassen." In dit geval onderzoekers ontdekten dat hun microlasers stabiel presteerden na vijf uur continu gebruik. "We kunnen de kralen maanden of jaren later van de plank halen, en ze lassen nog steeds, ', zei Fernandez-Bravo.

Onderzoekers onderzoeken ook hoe ze het uitgangslicht van de continu emitterende microlasers nauwkeurig kunnen afstemmen door simpelweg de grootte en samenstelling van de kralen te veranderen. En ze hebben een robotsysteem bij de Molecular Foundry gebruikt, bekend als WANDA (Workstation for Automated Nanomaterial Discovery and Analysis) om verschillende doteerelementen te combineren en de prestaties van de nanodeeltjes af te stemmen.

De onderzoekers merkten ook op dat er veel potentiële toepassingen zijn voor de microlasers, zoals bij het regelen van de activiteit van neuronen of optische microchips, chemicaliën voelen, en het detecteren van omgevings- en temperatuurveranderingen.

"In het begin werkten deze microlasers alleen in de lucht, wat frustrerend was omdat we ze wilden introduceren in levende systemen, ' zei Cohen. 'Maar we hebben een simpele truc gevonden om ze in bloedserum te dompelen, die de kralen omhult met eiwitten waardoor ze in water kunnen laseren. We hebben nu gezien dat deze kralen samen met cellen in laserstralen kunnen worden gevangen en bestuurd met dezelfde lasers die we gebruiken om ze te prikkelen."

De laatste studie, en de nieuwe paden van studie die het heeft geopend, laat zien hoe toevallig een onverwacht resultaat kan zijn, hij zei. "We hadden toevallig de juiste nanodeeltjes en het juiste coatingproces om deze lasers te produceren, ' zei Schuck.