Fange lyset fantastisk

(Phys.org) — Udviklingen af ​​en 'nanobarrel', der fanger og koncentrerer lys til enkelte molekyler, kunne bruges som en billig og pålidelig diagnostisk test.

Jeremy Baumberg og hans 30 mand store team af forskere er mesterlige manipulatorer af lys. De er specialister i nanofotonik – kontrollen af, hvordan lys interagerer med små klumper af stof, i skalaer helt ned til en milliarddel af en meter. Det er et fysikfelt, der for 20 år siden var ukendt.

Kernen i nanofotonikken er ideen om, at ændring af strukturen af ​​materialer på skalaen af ​​nogle få atomer kan bruges til ikke kun at ændre den måde, lys interagerer med materialet, men også dens funktionelle egenskaber.

"Målet er at designe materialer med virkelig indviklet arkitektur i virkelig lille skala, så lille, at den er mindre end lysets bølgelængde, "sagde Baumberg, Professor i nanofotonik på Institut for Fysik. "Uanset om udgangsmaterialet er polystyren eller guld, ændring af formen på dens nanostruktur kan give os ekstraordinær kontrol over, hvordan lysenergi absorberes af elektronerne, der er låst inde. Vi lærer at bruge dette til at udvikle ny funktionalitet. "

En af deres seneste præstationer er at udvikle syntetiske materialer, der efterligner nogle af naturens mest markante farver, blandt dem den iriserende nuance af opaler. Naturligt forekommende opaler dannes

'Polymer opaler', imidlertid, er plastik – ligesom polystyren i drikkebægre – og dannet i løbet af få minutter. Med en smule kemi, forskerne har fundet en måde at lave polysterenkugler belagt i en blød tyggegummi-lignende ydre skal.

Da disse polymeropaler er snoet og strakt, 'metalliske' blå -grønne farver risler over deres overflade. Deres fleksibilitet og holdbarheden af ​​deres intense farve gør dem til ideelle materialer til sikkerhedskort og pengesedler eller til at erstatte giftige farvestoffer i tekstilindustrien.

"Det afgørende er, at ved at samle tingene på den rigtige måde får du den funktion, du ønsker, sagde Baumberg, der udviklede polymeropalerne med samarbejdspartnere i Tyskland (ved DKI, nu Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability). "Hvis sfærerne er tilfældige, materialet ser hvidt eller farveløst ud, men hvis stablet helt regelmæssigt får du farve. Vi har fundet ud af, at udtværing af sfærerne mod hinanden på magisk vis får dem til at falde i regelmæssige linjer og, på grund af tyggegummilaget, når du strækker den, ændres farven også.

"Det er sådan et godt eksempel på nanoteknologi - vi tager et gennemsigtigt materiale, vi skærer det op i den rigtige form, vi stabler det på den rigtige måde, og vi får en helt ny funktion. "

Selvom nanofotonik er et forholdsvis nyt område inden for materialeforskning, Baumberg mener, at vi inden for to årtier vil begynde at se nanofotoniske materialer i alt fra smarte tekstiler til bygninger og madfarvning til solceller.

Nu, en af ​​holdets seneste opdagelser ser ud til at åbne op for applikationer inden for medicinsk diagnostik.

"Vi begynder at lære, hvordan vi kan lave materialer, der reagerer optisk på tilstedeværelsen af ​​individuelle molekyler i biologiske væsker, " forklarede han. "Der er en stor efterspørgsel efter dette. De praktiserende læger vil gerne kunne teste patienten, mens de venter, frem for at sende prøver væk til klinisk test. Og billige og pålidelige test ville gavne udviklingslande, der mangler dyrt diagnostisk udstyr."

En almindeligt anvendt teknik i medicinsk diagnostik er Raman-spektroskopi, som detekterer tilstedeværelsen af ​​et molekyle ved sin 'optiske signatur'. Det måler, hvordan lys ændres, når det hopper af et molekyle, hvilket igen afhænger af bindingerne inde i molekylet. Imidlertid, maskinerne skal være meget kraftfulde for at opdage, hvad der kan være ret svage effekter.

Baumberg har arbejdet med Dr. Oren Scherman, Direktør for Melville Laboratory for Polymer Synthesis i Department of Chemistry, på en helt ny måde at sanse molekyler på, de har udviklet ved hjælp af en tøndeformet molekylær beholder kaldet cucurbituril (CB). Fungerer som et lille reagensglas, CB gør det muligt for enkelte molekyler at komme ind i sin tøndeform, effektivt isolere dem fra en blanding af molekyler.

I samarbejde med forskere i Spanien og Frankrig, og med finansiering fra Den Europæiske Union, Baumberg og Scherman har fundet en måde at opdage, hvad der er i hver tønde ved hjælp af lys, ved at kombinere tønderne med guldpartikler kun et par tusinde atomer på tværs.

"Skinnende lys på denne guld -tøndeblanding fokuserer og forstærker lysbølgerne i små rummængder præcis, hvor molekylerne er placeret, " forklarede Baumberg. "Ved at se på farverne i det spredte lys, vi kan regne ud, hvilke molekyler der er til stede, og hvad de laver, og med meget høj følsomhed. "

Mens det meste sanseudstyr kræver præcise forhold, der kun virkelig kan opnås i laboratoriet, denne nye teknologi har potentiale til at være en lav pris, pålidelig og hurtig sensor til massemarkeder. Mængden af ​​guld, der kræves til testen, er ekstremt lille, og guldpartiklerne samler sig selv med CB ved stuetemperatur.

Nu, med midler fra Det Ingeniør- og Fysiske Forskningsråd, og samarbejde med virksomheder og potentielle slutbrugere (herunder NHS), Baumberg og Scherman har påbegyndt processen med at udvikle deres 'plasmoniske sensorer' til at teste biologiske væsker såsom urin og tårer, til anvendelser såsom detektering af neurotransmittere i hjernen og protein uforenelighed mellem mor og foster.

"På samme tid, vi vil forstå, hvordan vi kan gå videre med teknologien, fra at kontrollere kemiske reaktioner, der sker inde i tønden, at lave fangede molekyler inde i 'flex' selv, og detektering af hver af disse modifikationer gennem farveændring, "tilføjede Baumberg.

"Evnen til at se på et lille antal molekyler i et hav af andre har appelleret til forskere i årevis. Snart vil vi være i stand til at gøre dette i en hidtil uset skala:se i realtid, hvordan molekyler kommer sammen og undergår kemiske reaktioner, og endda hvordan de danner et bånd. Dette har enorme konsekvenser for optimering af katalyse i industrielt relevante processer og er derfor kernen i næsten ethvert produkt i vores liv."

Baumberg betragter nanofotonisk teknologi som en helt ny værktøjskasse. ”Spændingen for mig er udfordringen med, hvor svær opgaven er kombineret med, at man kan se, at hvis bare du kunne gøre det, du kan få ting ud, der er utrolige.

"I øjeblikket er vi i stand til at samle nye strukturer med forskellige optiske egenskaber på en meget kontrolleret måde. Til sidst selvom, vi vil være i stand til at bygge ting med lyset selv."