Nano lommelygte kunne gøre det muligt for fremtidige mobiltelefoner at opdage vira, mere

I arbejde, der kunne forvandle mobiltelefoner til sensorer, der er i stand til at detektere vira og andre små genstande, MIT-forskere har bygget en kraftig nanoskala lommelygte på en chip.

Deres tilgang til at designe den lille lysstråle på en chip kunne også bruges til at skabe en række andre nano-lygter med forskellige stråleegenskaber til forskellige applikationer. Tænk på en bred spotlight kontra en lysstråle fokuseret på et enkelt punkt.

Forskere har længe brugt lys til at identificere et materiale ved at observere, hvordan dette lys interagerer med materialet. Det gør de ved i det væsentlige at skinne en lysstråle på materialet, derefter analysere det lys, efter det er passeret gennem materialet. Fordi alle materialer interagerer med lys forskelligt, en analyse af lyset, der passerer gennem materialet, giver et slags "fingeraftryk" for det pågældende materiale. Forestil dig at gøre dette for flere farver, dvs. flere bølgelængder af lys, og indfange lysets interaktion med materialet for hver farve. Det ville føre til et fingeraftryk, der er endnu mere detaljeret.

De fleste instrumenter til at gøre dette, kendt som spektrometre, er relativt store. At gøre dem meget mindre ville have en række fordele. For eksempel, de kunne være bærbare og have yderligere applikationer (forestil dig en futuristisk mobiltelefon fyldt med en selvstændig sensor til en bestemt gas). Imidlertid, mens forskere har gjort store fremskridt i retning af at miniaturisere sensoren til at detektere og analysere det lys, der har passeret gennem et givet materiale, en miniaturiseret og passende formet lysstråle – eller lommelygte – er fortsat en udfordring. I dag leveres den lysstråle oftest af udstyr i makroskala som et lasersystem, der ikke er indbygget i selve chippen, som sensorerne er.

Komplet sensor

Gå ind i MIT-arbejdet. I to nylige aviser i Naturvidenskabelige rapporter , holdet beskriver ikke kun deres tilgang til at designe on-chip lommelygter med en række forskellige stråleegenskaber, de rapporterer også at bygge og afprøve en prototype. Vigtigt, de skabte enheden ved hjælp af eksisterende fremstillingsteknologier, der er kendt for mikroelektronikindustrien, så de er overbeviste om, at tilgangen kan implementeres i masseskala med de lavere omkostninger, det indebærer.

Samlet set, dette kunne gøre det muligt for industrien at skabe en komplet sensor på en chip med både lyskilde og detektor. Som resultat, arbejdet repræsenterer et betydeligt fremskridt i brugen af ​​siliciumfotonik til manipulation af lysbølger på mikrochips til sensorapplikationer.

"Dette arbejde er vigtigt, og repræsenterer et nyt paradigme for fotonisk enhedsdesign, muliggør forbedringer i manipulation af optiske stråler, " siger Dawn Tan, en lektor ved Singapore University of Technology and Design, som ikke var involveret i forskningen.

"Silicon fotonik har så meget potentiale til at forbedre og miniaturisere de eksisterende biosensing-systemer i bench-skala. Vi har bare brug for smartere designstrategier for at udnytte dets fulde potentiale. Dette arbejde viser en sådan tilgang, " siger Robin Singh, hovedforfatter af begge artikler. Singh modtog MS (2018) og Ph.D. (2020) fra MIT, både inden for maskinteknik.

Senior medforfatterne på det første papir er Anuradha Murthy Agarwal, en hovedforsker i MIT's Materials Research Laboratory, og Brian W. Anthony, en hovedforsker i MIT's Department of Mechanical Engineering. Singhs medforfattere på det andet papir er Agarwal; Anthony; Yuqi Nie, nu ved Princeton University; og Mingye Gao, en kandidatstuderende i MIT's Institut for Elektroteknik og Datalogi.

Hvordan de gjorde det

Singh og kolleger skabte deres overordnede design ved hjælp af flere computermodelleringsværktøjer. Disse omfattede konventionelle tilgange baseret på fysikken involveret i udbredelse og manipulation af lys, og flere banebrydende maskinlæringsteknikker, hvor computeren læres at forudsige potentielle løsninger ved hjælp af enorme mængder data. "Hvis vi viser computeren mange eksempler på nano-lommelygter, den kan lære at lave bedre lommelygter, " siger Anthony. Til sidst, "Vi kan så fortælle computeren det lysmønster, vi ønsker, og det vil fortælle os, hvad designet af lommelygten skal være."

Alle disse modelleringsværktøjer har fordele og ulemper; sammen resulterede de i en finale, optimalt design, der kan tilpasses til at skabe lommelygter med forskellige slags lysstråler.

Forskerne fortsatte med at bruge dette design til at skabe en specifik lommelygte med en kollimeret stråle, eller en, hvor lysstrålerne er perfekt parallelle med hinanden. Kollimerede stråler er nøglen til nogle typer sensorer. Den samlede lommelygte, som forskerne lavede, involverede omkring 500 rektangulære nanoskalastrukturer af forskellige dimensioner, som holdets modellering forudsagde ville muliggøre en kollimeret stråle. Nanostrukturer af forskellige dimensioner ville føre til forskellige slags bjælker, som igen er nøglen til andre applikationer.

Den lille lommelygte med en kollimeret stråle virkede. Ikke kun det, det gav en stråle, der var fem gange kraftigere end det er muligt med konventionelle strukturer. Det er delvist fordi "at være i stand til at kontrollere lyset bedre betyder, at mindre bliver spredt og tabt, " siger Agarwal.

Singh beskriver den begejstring, han følte ved at skabe den første lommelygte. "Det var fantastisk at se gennem et mikroskop, hvad jeg havde designet på en computer. Så testede vi det, og det virkede!"

Denne forskning blev delvist støttet af MIT Skoltech Initiative.

Som hovedforsker i Microphotonics Center og Initiative for Knowledge and Innovation in Manufacturing (IKIM), Agarwal anerkender sine kolleger for at give det frugtbare intellektuelle miljø for dette arbejde.

Yderligere MIT faciliteter og afdelinger, der gjorde dette arbejde muligt, er Institut for Materialevidenskab og Engineering, Materialeforskningslaboratoriet, Institut for Medicinsk Teknik og Videnskab, og MIT.nano.