Nyt papir giver gennembrud om blinkende molekyler fænomener

Et nyt papir fra University of Notre Dame fysiker Boldizsár Jankó og kolleger tilbyder en vigtig ny forståelse af et vedvarende mysterium i kemisk fysik.

For mere end et århundrede siden, i begyndelsen af ​​moderne kvantemekanik, den nobelprisvindende fysiker Neils Bohr forudsagde såkaldte "kvantespring". Han forudsagde, at disse spring ville skyldes elektroner, der foretog overgange mellem diskrete energiniveauer for individuelle atomer og molekyler. Selvom det var kontroversielt på Bohrs tid, sådanne kvantespring blev eksperimentelt observeret, og hans forudsigelse bekræftet, i 1980'erne. For nylig, med udviklingen af ​​enkeltmolekyle billeddannelsesteknikker i begyndelsen af ​​1990'erne, det har været muligt at observere lignende spring i individuelle molekyler.

Eksperimentelt, disse kvantespring omsættes til diskrete afbrydelser af den kontinuerlige emission fra enkelte molekyler, afslører et fænomen kendt som fluorescerende intermittens eller "blinker".

Imidlertid, mens visse tilfælde af blink direkte kan tilskrives Bohrs oprindelige kvantespring, mange flere tilfælde eksisterer, hvor den observerede fluorescensintermittens ikke følger hans forudsigelser. Specifikt, i systemer så forskellige som fluorescerende proteiner, enkelte molekyler og lys høstkomplekser, enkelte organiske fluoroforer, og, seneste, individuelle uorganiske nanostrukturer, der forekommer klare afvigelser fra Bohrs forudsigelser.

Som en konsekvens, stort set alle kendte fluoroforer, inklusive fluorescerende kvanteprikker, stænger og tråde, udviser uforklarlige episoder med intermitterende blink i deres emission.

Den fremherskende visdom inden for kvantemekanik var, at de tændte og slukkede blinkende episoder ikke var korrelerede. Imidlertid, ved en konference i 2007 om fænomenet sponsoreret af Notre Dame's Institute for Theoretical Sciences, som Jankó instruerer, Fernando Stefani fra University of Buenos Aires fremlagde forskning, der tyder på, at der var, faktisk, sammenhæng mellem disse af- og på -begivenheder. Ingen teoretisk model på det tidspunkt var i stand til at forklare disse sammenhænge.

I en 2008 Naturfysik papir, Jankó og en gruppe forskere, der inkluderede Notre Dame kemiprofessor Ken Kuno, fysik gæstende assisterende professor Pavel Frantsuzov og nobelpristageren Rudolph Marcus foreslog, at on- og off-tidsintervallerne for intermitterende nanokrystal kvanteprikker følger universelle magtlovfordelinger. Opdagelsen gav Jankó og andre forskere på området de første hints til at udvikle en dybere indsigt i den fysiske mekanisme bag det store udvalg af tænd- og slukketider i intermittensen.

I et nyt papir, der udkommer i bladet Nano bogstaver , Jankó, Frantsuzov og Notre Dame kandidatstuderende Sándor Volkán-Kascó afslører, at de har udviklet en model for de blinkende fænomener, der bekræfter, hvad Stefani observerede eksperimentelt. Fundet er en vigtig bekræftelse på, at der er en stærk sammenhæng mellem on- og off-fænomenet.

Hvis blinkprocessen kunne kontrolleres, kvanteprikker kunne, for eksempel, give bedre, mere stabil billeddannelse af kræftceller; give forskere realtidsbilleder af en virusinfektion, såsom HIV, i en celle; føre til udviklingen af ​​en ny generation af lysere skærme til computere, mobiltelefoner og andre elektroniske applikationer; og endda forbedrede belysningsarmaturer til hjem og kontorer.

Det Nano bogstaver papir repræsenterer endnu et vigtigt skridt i at forstå oprindelsen af ​​blinkefænomenet og identificere måder at kontrollere processen på.