Możliwość włączania i wyłączania nanokryształów – w nieskończoność
W roku 2021 naukowcy dokonali fascynującego odkrycia: za pomocą nanocząstek domieszkowanych lantanowcami można inicjować ekstremalną reakcję łańcuchową, której produktem jest światło. Dzięki pracom wspartym po części w ramach finansowanego ze środków UE projektu AETSOM udało im się nadać tym nanocząstkom zdolność włączania i wyłączania emisji światła w sposób celowy i ciągły, bez ograniczenia czasowego. Prowadzone przez nich badania zostały opisane na łamach czasopisma „Nature”. Barwniki organiczne i białka fluorescencyjne wykorzystywane w takich dziedzinach, jak pamięć optyczna i bioobrazowanie, zwykle migają w sposób losowy, by po utracie zdolności fluorescencji zgasnąć ostatecznie. Zjawisko to nazywane jest fotowybielaniem. Natomiast nanokryształy domieszkowane lantanowcami cechuje wyjątkowa fotostabilność. W komunikacie prasowym zamieszczonym w serwisie „EurekAlert!” możemy przeczytać, że naukowcy z laboratorium kierowanego przez P. Jamesa Schucka, starszego autora badania i profesora nadzwyczajnego Uniwersytetu Columbia w Stanach Zjednoczonych (partnera projektu AETSOM), w ciągu wieloletnich badań nigdy nie zaobserwowali „śmierci” tego typu cząstek. Dopiero w roku 2018 udało im się zauważyć, że jeden z badanych kryształów gaśnie, a następnie zaczyna ponownie świecić. Dalsze badania doprowadziły do odkrycia, że miganie światłowodów lantanowcowych można kontrolować. Chcąc się upewnić, że faktycznie odkryli pierwszą w pełni fotostabilną, w pełni fotoprzełączalną nanocząstkę, uczeni wykorzystali światło w bliskiej podczerwieni do przyciemniania i rozjaśniania nanokryształów w różnych warunkach otoczenia lub środowiskach wodnych. Po włączeniu i wyłączeniu ich ponad tysiąc razy zespół nadal nie zauważył najmniejszego śladu degradacji. „Za pomocą jednej długości fali świetlnej możemy wyłączyć te cząstki, które przy tym nie ulegają fotowybieleniu, a następnie ponownie je włączyć za pomocą innej długości fali, używając w tym celu zwykłych laserów”, zauważył główny autor badania dr Changhwan Lee, badacz odbywający staż podoktorski na Uniwersytecie Columbia.
Możliwe zastosowania
Jak podano w komunikacie prasowym, zespół wykazał, w jaki sposób nanocząstki mogą być wykorzystywane do zapisywania i przepisywania wzorów na trójwymiarowych podłożach, co może pomóc w ulepszeniu technologii optycznego przechowywania danych o wysokiej gęstości i pamięci komputerowej na potrzeby przyszłych zastosowań. „Ten nanokryształ o własnościach fotoprzełączających, działający dwukierunkowo przez nieokreślenie długi czas, mógłby posłużyć do zbudowania w pełni optycznej pamięci kwantowej umożliwiającej przechowywanie ogromnych ilości danych wytwarzanych przez komputery kwantowe – wyobraźmy sobie płyty CD-ROM i CD-RW, które są szybsze i znacznie bardziej precyzyjne”, wyjaśnia współautor badania prof. Yung Doug Suh z Koreańskiego Instytutu Technologii Chemicznej w Korei Południowej. Odkrycie fotoprzełączalnych nanocząstek nie tylko przyczyni się do rozwoju pamięci optycznej, ale także otwiera szerokie możliwości, oferując nowy impuls dla całej gamy innowacji technologicznych – od obrazowania w superrozdzielczości i nanofotoniki po ukierunkowaną farmakoterapię, optogenetykę i regulowanie reaktywności chemicznej. Co jednak sprawia, że jest to w ogóle możliwe? Jak działa mechanizm odpowiedzialny za fotoprzełączanie w badanych nanokryształach? Według uczonych uzyskana w ramach ich pracy zdolność fotoprzełączania jest wynikiem defektów kryształów atomowych, tak małych, że niewidocznych nawet pod najbardziej zaawansowanymi mikroskopami elektronowymi. „Defekty te przesuwają próg lawinowy cząstki w górę lub w dół i mogą być przełączane za pomocą różnych długości fal świetlnych w celu przyciemnienia bądź rozjaśnienia sygnału”, czytamy w komunikacie prasowym. Jak twierdzi dr Bruce Cohen z laboratorium naukowego Lawrence Berkeley National Laboratory w Stanach Zjednoczonych, nikt się nie spodziewał uzyskania takich wyników. „Od czasu publikacji naszego artykułu w 2009 roku powtarzaliśmy, że ta klasa nanocząstek nie ma zdolności naprzemiennego włączania i wyłączania się, a jednak tę właśnie zdolność obecnie badamy. Jedną z rzeczy, które zrozumieliśmy dzięki tym nanocząstkom, jest akceptowanie zaskakujących wyników”. Projekt AETSOM (Engineering a solution to the „resolution gap” problem for probing local optoelectronic properties in low-dimensional materials) jest koordynowany przez Uniwersytet Hebrajski w Jerozolimie. Projekt zakończy się w sierpniu 2024 roku. Więcej informacji: projekt AETSOM
Słowa kluczowe
AETSOM, nanocząstka, nanokryształ, światło, lantanowce, fotoprzełączanie
