Forskere udvikler nye rammer for nanoantenna lysabsorbering

At udnytte lysets energi til nanoskala -mængder kræver nye tekniske tilgange for at overvinde en grundlæggende barriere kendt som "diffraktionsgrænsen". Imidlertid, University of Illinois forskere har brudt denne barriere ved at udvikle nanoantenner, der pakker energien fanget fra lyskilder, såsom lysdioder, til partikler med nanometer-skala diametre, gør det muligt at påvise individuelle biomolekyler, katalysere kemiske reaktioner, og generere fotoner med ønskelige egenskaber til kvanteberegning.

Resultaterne, som har en bred vifte af applikationer, der kan omfatte bedre kræftdiagnostiske værktøjer, blev for nylig offentliggjort i Nano bogstaver , et prestigefyldt fagfællebedømt tidsskrift udgivet af American Chemical Society i et papir med titlen "Microcavity-Mediated Spectrally Tunable Amplification of Absorption in Plasmonic Nanoantennas, "Forskningen blev finansieret af National Science Foundation.

For at oprette en enhed, der er i stand til at overvinde diffraktionsgrænsen, kandidatstuderende Qinglan Huang og hendes rådgiver, Holonyak Lab Director Brian T. Cunningham, en Donald Biggar Willett professor i teknik, koblede fotoniske krystaller med en plasmonisk nanoantenna, en innovativ tilgang på området. De fotoniske krystaller tjener som lysmodtagere og fokuserer energien på et elektromagnetisk felt, der er hundredvis af gange større end det, der modtages fra den oprindelige lyskilde, såsom en LED eller laser. Nanoantennerne, når "tunet" til den samme bølgelængde, absorbere energien fra det elektromagnetiske felt og koncentrere energien til et mindre volumen, der er endnu to størrelsesordener af større intensitet. Energitilbagemeldingen mellem den fotoniske krystal og nanoantenna, kaldet "resonanshybridkobling" kan observeres af dens virkninger på det reflekterede og transmitterede lysspektrum.

"At få en kobling mellem to ting er spændende, fordi det aldrig er blevet gjort, "sagde Huang." Det er et generelt koncept, som vi eksperimentelt har demonstreret for første gang. "

For at opnå dette, holdet kontrollerede omhyggeligt tætheden af ​​nanoantennerne for at maksimere deres energiindsamlingseffektivitet. De udviklede også en metode, der tillod nanoantennerne at blive fordelt ensartet over den fotoniske krystaloverflade og afstemt den fotoniske krystal optiske resonansbølgelængde, der matchede nanoantennernes absorptionsbølgelængde.

Udover at ændre hvordan forskere kan arbejde med lys, denne nye koblingsmetode har potentiale til at ændre, hvordan og hvornår kræft diagnosticeres. En applikation er at bruge en guld nanopartikel, ikke meget større end biomolekyler såsom DNA, som nanoantenna. I dette tilfælde, feedbacken giver en måde at identificere en biomarkør, der er unik for en bestemt type kræftcelle, og gruppen forbinder nu resonanshybridkoblingsteknikken med nye biokemiske metoder til at detektere kræftspecifikke RNA- og DNA-molekyler med enkeltmolekylpræcision. Cunningham, og andre medlemmer af Nanosensor -gruppen vil snart udgive endnu et papir, der specifikt fokuserer på opdagelsens anvendelser i forbindelse med kræftdiagnostik.

" Nano bogstaver er en meget hård journal at komme ind på, "sagde Cunningham." Men den nye fysik i denne forskning og potentialet for brede anvendelser er det, der får denne forskning til at skille sig ud. De næste trin i denne forskning involverer at fordybe sig i de potentielle anvendelser af denne nye proces.