ابتكر باحثون في الولايات المتحدة جسيمات نانوية تنبعث منها نبضات من ضوء فائق الفلورسنت في درجة حرارة الغرفة. على غير المعتاد ، يكون الضوء المنبعث مضادًا لستوكس ، مما يعني أن له طول موجي أقصر (وبالتالي طاقة أعلى) من الطول الموجي للضوء الذي يبدأ الاستجابة - وهي ظاهرة تُعرف باسم التحويل. يمكن للجسيمات النانوية الجديدة ، التي اكتشفها الفريق أثناء البحث عن تأثير بصري مختلف ، أن تجعل من الممكن إنشاء أنواع جديدة من أجهزة ضبط الوقت وأجهزة الاستشعار والترانزستورات في الدوائر الضوئية.
"هذه الانبعاثات الشديدة والسريعة مثالية للعديد من المواد الرائدة ومنصات الطب النانوي" ، قائد الفريق شوانغ فانغ ليم of جامعة ولاية نورث كارولينا يروي عالم الفيزياء. "على سبيل المثال ، تم استخدام الجسيمات النانوية المحولة (UCNPs) على نطاق واسع في التطبيقات البيولوجية التي تتراوح من الاستشعار البيولوجي الخالي من الضوضاء ، والطب النانوي الدقيق ، وتصوير الأنسجة العميقة ، إلى بيولوجيا الخلية ، وعلم وظائف الأعضاء المرئي وعلم البصريات الوراثي."
حماية مدارات الإلكترون
يحدث التألق الفائق عندما تصدر ذرات متعددة داخل مادة ما دفعة قصيرة ومكثفة من الضوء في نفس الوقت. تتميز هذه الظاهرة الكمومية الضوئية عن الانبعاث التلقائي الخواص أو التألق الطبيعي ، ويصعب تحقيقها في درجة حرارة الغرفة وتميل إلى عدم الاستمرار لفترة كافية لتكون مفيدة. يقول أحد أعضاء الفريق إن UCNPs مختلفة جانج هان ل كلية الطب بجامعة ماساتشوستس تشان. "في UCNP ، ينبعث الضوء من 4f يشرح هان أن انتقالات الإلكترون التي تحميها مدارات إلكترون أعلى تعمل بمثابة "درع" ، مما يسمح بالتألق الفائق حتى في درجة حرارة الغرفة.
في العمل الجديد ، لاحظ الفريق توهجًا فائقًا في الأيونات التي تقترن مع بعضها البعض داخل جسيم نانوي واحد من UCNPs المخدر اللانثانيدات المضغوط بأيون النيوديميوم. على عكس التألق الفائق في المواد الأخرى ، مثل البلورات النانوية البيروفسكايت عالية الترتيب أو تجميعات النقاط الكمومية لأشباه الموصلات التي تستخدم كل جسيم نانوي كباعث ، في UCNPs المشبعة باللانثانيدات ، كل أيون لانثانيد في جسيم نانوي واحد هو باعث فردي. "يمكن لهذا الباعث أن يتفاعل بعد ذلك مع أيونات اللانثانيد الأخرى لتأسيس التماسك والسماح بالتألق الفائق لمقاومة ستوكس في كل من تجمعات الجسيمات النانوية العشوائية وفي البلورات النانوية المفردة ، والتي يبلغ حجمها 50 نانومتر فقط أصغر وسائط الفلورة الفائقة التي تم إنشاؤها على الإطلاق ،" يقول ليم.
التزامن في حالة متماسكة العيانية
يضيف عضو الفريق كوري جرين: "يأتي الفلور الفائق من التنسيق العياني للمراحل الانبعاثية للأيونات المثارة في الجسيمات النانوية بعد ترسب طاقة الإثارة". "نبضة الليزر تثير الأيونات داخل الجسيمات النانوية وهذه الحالات ليست منظمة بشكل متماسك في البداية.
"لكي يحدث الفلور الفائق ، يجب أن تتزامن مجموعة الأيونات غير المنظمة في البداية في حالة ماكروسكوبية متماسكة قبل الانبعاث. لتسهيل هذا التنسيق ، يجب اختيار بنية البلورة النانوية وكثافة أيونات النيوديميوم بعناية ".
تسمح تحويل الجسيمات النانوية للفئران بالرؤية بالأشعة تحت الحمراء
الاكتشاف الذي أبلغ عنه الفريق طبيعة الضوئيات، عن طريق الصدفة بينما كان ليم وزملاؤه يحاولون صنع مواد مصنوعة من الليز - أي المواد التي ينبعث فيها الضوء من إحدى الذرات يحفز الأخرى على إصدار المزيد من نفس الضوء. بدلاً من ذلك ، لاحظوا التألق الفائق ، حيث تتراصف الذرات غير المتزامنة في البداية ، ثم ينبعث منها الضوء معًا.
يقول ليم: "عندما قمنا بإثارة المادة بكثافة مختلفة من الليزر ، وجدنا أنها تصدر ثلاث نبضات من التألق الفائق على فترات منتظمة لكل إثارة". "ولا تتحلل النبضات - يبلغ طول كل نبضة 2 نانوثانية. لذلك لا يُظهر UCNP التألق الفائق في درجة حرارة الغرفة فحسب ، بل إنه يفعل ذلك بطريقة يمكن التحكم فيها. وهذا يعني أنه يمكن استخدام البلورات كمؤقتات أو أجهزة استشعار عصبية أو ترانزستورات بصرية في الدوائر الضوئية المتكاملة ، على سبيل المثال ".
