Ερευνητές στις ΗΠΑ δημιούργησαν νανοσωματίδια που εκπέμπουν παλμούς υπερφθορισμού φωτός σε θερμοκρασία δωματίου. Ασυνήθιστα, το εκπεμπόμενο φως είναι anti-Stokes shifted, που σημαίνει ότι έχει μικρότερο μήκος κύματος (και επομένως υψηλότερη ενέργεια) από το μήκος κύματος του φωτός που ξεκινά την απόκριση - ένα φαινόμενο γνωστό ως upconversion. Τα νέα νανοσωματίδια, τα οποία η ομάδα ανακάλυψε αναζητώντας ένα διαφορετικό οπτικό αποτέλεσμα, θα μπορούσαν να καταστήσουν δυνατή τη δημιουργία νέων τύπων χρονόμετρων, αισθητήρων και τρανζίστορ σε οπτικά κυκλώματα.
«Τέτοιες έντονες και γρήγορες εκπομπές είναι τέλειες για πολλά πρωτοποριακά υλικά και πλατφόρμες νανοϊατρικής», ο επικεφαλής της ομάδας Σουάνγκ Φανγκ Λιμ of Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας λέει Κόσμος Φυσικής. «Για παράδειγμα, τα μετατρεπόμενα νανοσωματίδια (UCNPs) έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε βιολογικές εφαρμογές που κυμαίνονται από βιοαισθητήρα χωρίς θόρυβο, νανοϊατρική ακριβείας και απεικόνιση βαθέων ιστών, έως κυτταρική βιολογία, οπτική φυσιολογία και οπτογενετική».
Θωράκιση τροχιακών ηλεκτρονίων
Ο υπερφθορισμός εμφανίζεται όταν πολλά άτομα μέσα σε ένα υλικό εκπέμπουν ταυτόχρονα μια σύντομη, έντονη έκρηξη φωτός. Αυτό το κβαντικό-οπτικό φαινόμενο διαφέρει από την ισότροπη αυθόρμητη εκπομπή ή τον κανονικό φθορισμό, είναι δύσκολο να επιτευχθεί σε θερμοκρασία δωματίου και τείνει να μην διαρκεί αρκετά ώστε να είναι χρήσιμο. Τα UCNP, ωστόσο, είναι διαφορετικά, λέει το μέλος της ομάδας Συμμορία Χαν του University of Massachusetts Chan Medical School. «Σε ένα UCNP, το φως εκπέμπεται από το 4f μεταπτώσεις ηλεκτρονίων που προστατεύονται από τροχιακά ηλεκτρονίων υψηλότερα που λειτουργούν ως «ασπίδα», επιτρέποντας τον υπερφθορισμό ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου», εξηγεί ο Han.
Στη νέα εργασία, η ομάδα παρατήρησε υπερφθορισμό σε ιόντα που συζεύγνυνται μεταξύ τους μέσα σε ένα μόνο νανοσωματίδιο συμπιεσμένων με ιόν νεοδυμίου UCNP με πρόσμειξη με λανθανίδη. Σε αντίθεση με τον υπερφθορισμό σε άλλα υλικά, όπως νανοκρυστάλλους περοβσκίτη υψηλής παραγγελίας ή συγκροτήματα κβαντικών κουκκίδων ημιαγωγών που χρησιμοποιούν κάθε νανοσωματίδιο ως εκπομπό, σε UCNP με πρόσμειξη με λανθανίδη, κάθε ιόν λανθανίδης σε ένα μόνο νανοσωματίδιο είναι ένας μεμονωμένος εκπομπός. "Αυτός ο εκπομπός μπορεί στη συνέχεια να αλληλεπιδράσει με άλλα ιόντα λανθανίδης για να δημιουργήσει συνοχή και να επιτρέψει υπερφθορισμό κατά της μετατόπισης του Stokes τόσο σε τυχαίες συναρμολογήσεις νανοσωματιδίων όσο και σε μεμονωμένους νανοκρυστάλλους, οι οποίοι σε μέγεθος μόλις 50 nm είναι τα μικρότερα μέσα υπερφθορισμού που έχουν δημιουργηθεί ποτέ." λέει ο Λιμ.
Συγχρονισμός σε μια συνεκτική μακροσκοπική κατάσταση
«Ο υπερφθορισμός προέρχεται από τον μακροσκοπικό συντονισμό των εκπεμπόμενων φάσεων των διεγερμένων ιόντων στο νανοσωματίδιο μετά την απόθεση της ενέργειας διέγερσης», προσθέτει το μέλος της ομάδας Kory Green. «Ένας παλμός λέιζερ διεγείρει τα ιόντα μέσα στο νανοσωματίδιο και αυτές οι καταστάσεις δεν οργανώνονται με συνέπεια στην αρχή.
«Για να συμβεί υπερφθορισμός, αυτό το αρχικά αποδιοργανωμένο σύνολο ιόντων πρέπει να συγχρονιστεί σε μια συνεκτική μακροσκοπική κατάσταση πριν από την εκπομπή. Για να διευκολυνθεί αυτός ο συντονισμός, η δομή του νανοκρυστάλλου και η πυκνότητα των ιόντων νεοδυμίου πρέπει να επιλεγούν προσεκτικά».
Τα νανοσωματίδια ανοδικής μετατροπής επιτρέπουν στα ποντίκια να βλέπουν στο υπέρυθρο
Η ανακάλυψη, την οποία αναφέρει η ομάδα Nature Photonics, κατασκευάστηκε τυχαία, ενώ ο Lim και οι συνεργάτες του προσπαθούσαν να φτιάξουν υλικά που λέιζερ – δηλαδή υλικά στα οποία το φως που εκπέμπεται από ένα άτομο διεγείρει ένα άλλο να εκπέμπει περισσότερο από το ίδιο φως. Αντίθετα, παρατήρησαν υπερφθορισμό, στον οποίο τα αρχικά ασύγχρονα άτομα ευθυγραμμίζονται και μετά εκπέμπουν φως μαζί.
«Όταν διεγείραμε το υλικό σε διαφορετικές εντάσεις λέιζερ, διαπιστώσαμε ότι εκπέμπει τρεις παλμούς υπερφθορισμού σε τακτά χρονικά διαστήματα για κάθε διέγερση», λέει ο Lim. «Και οι παλμοί δεν υποβαθμίζονται – κάθε παλμός έχει μήκος 2 νανοδευτερόλεπτα. Έτσι, το UCNP όχι μόνο εμφανίζει υπερφθορισμό σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά το κάνει με τρόπο που μπορεί να ελεγχθεί. Αυτό σημαίνει ότι οι κρύσταλλοι θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως χρονόμετρα, νευροαισθητήρες ή οπτικά τρανζίστορ σε φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα, για παράδειγμα».
