Lawina fotonów na okładce Nature - zbadana m.in. przez Polaków

Chociaż zjawisko lawinowej emisji fotonów znane jest od kilku dekad, to dotąd uzyskiwano je tylko w dużych, makroskopowych obiektach - np. monokryształach; często tylko w bardzo niskich temperaturach. Teraz naukowcy zaprezentowali to zjawisko w temperaturze pokojowej w nanomateriałach - strukturach o średnicy 25-30 nm (czyli w obiektach tylko kilka razy większych niż białka w komórkach).

Te opracowane przez badaczy maleńkie latarenki są nanokoloidami – ich powierzchnię można tak zmodyfikować, by w sposób trwały były zawieszone w wodzie i nie opadały na dno. A to pierwszy krok do tego, by te struktury otoczyć na przykład białkami i wprowadzić do komórek, gdzie za ich pomocą można będzie obserwować miejsca lub śledzić procesy odpowiadające za funkcjonowanie żywych komórek.

Aby zapalić taką nanolatarenkę, należy ją oświetlić światłem podczerwonym (o długości fali 1064 nm). A to kolejny plus rozwiązania. Takie światło jest bowiem szczególnie przyjazne w badaniu żywych komórek - łatwo przechodzi przez tkanki, eliminuje spontaniczne świecenie komórek (to problem przy wzbudzaniu za pomocą światła UV), a w dodatku nie uszkadza struktur biologicznych w komórce.

Kolejną zaletą jest również to, że obrazy o wysokiej rozdzielczości można wykonać z pomocą nieco zmodyfikowanego mikroskopu konfokalnego, który jest dostępny prawie w każdym laboratorium biologicznym. Badania pokazały, że takie nanolatarenki można wykorzystać do obrazowania struktur z rozdzielczością 70 nm (jak dotąd, taka rozdzielczość optyczna możliwa jest do uzyskania tylko w znacznie droższych i dużo bardziej złożonych mikroskopach superrozdzielczych).

Badania naukowców z USA (Columbia University i Lawrence Berkeley National Laboratory.), Polski (Instytut Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN we Wrocławiu) i Korei Płd. ukazały się w Nature. A ilustrację obrazującą ich lawinę fotonów oglądać można na okładce tego tygodnika.

Fot: Okładka "Nature" z lawiną fotonów. Źródło: Nature

W materiałach zdolnych do lawinowej emisji fotonów intensywność emisji wzrasta nieproporcjonalnie mocno (tj. lawinowo) w stosunku do intensywności pobudzenia. I tak np. jeśli dwukrotnie zwiększy się intensywność światła, którym oświetla się materiał, intensywność luminescencji wzrastać może aż 10 tys. razy. Przypomina to wzmocnienie obserwowane w tranzystorze lub laserze (co schematycznie zobrazowano na okładce „Nature”). "Laik może to sobie wyobrazić jako taki efekt, jaki mamy, kiedy zbliżymy się z mikrofonem do głośnika – wzmocnienie, czyli dodatnie sprzężenie zwrotne powoduje, że mimo że szepczemy do mikrofonu, głośnik po chwili ‘wyje na pełny regulator’" - porównuje w rozmowie z PAP współautor badań prof. Artur Bednarkiewicz.

Jak tłumaczy, badania te otwierają zupełnie nowe możliwości zastosowania nanotechnologii: w konstrukcji czujników biologicznych (np. do wykrywania wirusów, bakterii czy grzybów, lub procesów biologicznych w komórkach i tkankach), czujników wielkości fizycznych (np. temperatury, ciśnienia), w obliczeniach neuromorficznych, konstrukcji detektorów promieniowania z zakresu średniej podczerwieni, nowych nanolaserów czy też, jak w oryginalnej pracy, obrazowania fluorescencyjnego poniżej limitu dyfrakcji światła. Limit dyfrakcji światła powoduje, że w mikroskopii optycznej bez uciekania się do sprytnych sztuczek - nie można rozróżnić obiektów znajdujących się zbyt blisko siebie – tzn. bliżej niż około połowa długość fali światła, którym obiekt oświetlamy (typowo 300-400 nm). To powoduje, że obraz mikroskopowy jest rozmyty i nieostry, a tym samym często niewystarczający dla biologów by zrozumieć zachowanie żywych komórek na poziomie molekularnym.

Pomysł na to, jaki nanomateriał dawałby lawinową emisję fotonów, zrodził się w połączonych zespołach badaczy, ale ponieważ rozwiązanie wcale nie było oczywiste minęło kilka lat, zanim udało się odpowiednie materiały wykonać . Naukowcy przyglądali się właściwościom materiałów luminescencyjnych domieszkowanych jonami lantanowców. Zwykle zbyt duża domieszka takich jonów (powyżej 1 proc.) sprawia, że luminescencja materiału słabła. Tymczasem badacze wyliczyli, a potem sprawdzili, że do nieliniowej lawinowej emisji fotonów dojdzie w materiale z niespodziewanie dużą (8 proc.) domieszką jonów tulu. Amerykański zespół wytworzył taki materiał i potwierdził w eksperymencie, że materiał rzeczywiście ma bardzo ciekawe silnie nieliniowe właściwości. Dodatkowo, wyniki eksperymentalne doskonale zgadzały się z symulacjami, obliczeniami i przewidywaniami wykonanymi w grupie prof. Bednarkiewicza dwa lata wcześniej.

"Aktualnie, kontynuujemy współpracę, ale realizujemy też w INTiBS PAN własny projekt finansowany przez Narodowe Centrum Nauki dotyczący tych materiałów i metod. Potrafimy syntezować materiały lawinowe samodzielnie, zbudowaliśmy również unikalny i bardzo czuły układ pomiarowy, który pozwala uzyskiwane materiały badać w poszukiwaniu kolejnych nowych i ulepszonych materiałów. Myślimy też o ich zastosowaniach praktycznych" - mówi prof. Bednarkiewicz.

"Są dwie przełomowe informacje, które wynikają z naszych badań. Po pierwsze, udało się uzyskać lawinową emisję fotonów w nanomateriałach, a to otwiera zupełnie nowe możliwości ich zastosowania. Po drugie udało się za pomocą tych materiałów zademonstrować obrazowanie optyczne w skali nanometrycznej poniżej fundamentalnego limitu dyfrakcji światła, który dla biologów był poważnym ograniczeniem, ale dla fizyków i chemików był przez wiele lat olbrzymim wyzwaniem. Uzyskane wyniki otwierają szereg nowych kierunków badań i zastosowań, ale dopiero najbliższe lata zdecydują czy lawinowe nanokryształy znajdą jeszcze szersze zainteresowanie" - podsumowuje prof. Bednarkiewicz.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ agt/