Berkenbladeren en pinda’s omgezet in geavanceerde lasertechnologie

Natuurkundigen van de Universiteit van Umeå hebben in samenwerking met onderzoekers in China een laser ontwikkeld die volledig is gemaakt van biomaterialen: berkenbladeren en pindapitten. De milieuvriendelijke laser zou een goedkoop en toegankelijk hulpmiddel kunnen worden voor medische diagnostiek en beeldvorming.

De studie is geweest gepubliceerd in het journaal Nanofotonica en laat zien hoe een zogenaamde willekeurige laser volledig uit biologisch materiaal kan worden gemaakt.

“Ons onderzoek laat zien dat het mogelijk is om op een eenvoudige manier geavanceerde optische technologie te creëren met alleen lokale, hernieuwbare materialen”, zegt Jia Wang, universitair hoofddocent aan de afdeling natuurkunde van de Universiteit van Umeå, en een van de auteurs van het onderzoek.

Een willekeurige laser is een type laser waarbij licht vele malen verstrooit in een ongeordend materiaal voordat het tevoorschijn komt als een gefocusseerde straal. Het is veelbelovend voor toepassingen zoals medische beeldvorming en vroege ziektedetectie, en heeft daarom veel onderzoeksaandacht getrokken. Conventionele willekeurige lasermaterialen zijn echter vaak giftig, of duur en complex om te produceren.

Koolstofstippen van berkenbladeren

Wang en haar medewerkers creëerden hun laser met behulp van twee veel voorkomende natuurlijke materialen: berkenbladeren en pindapitten. Ze maakten koolstofstippen op nanometerschaal van de berkenbladeren om als versterkingsmedium te dienen en sneden pindapitten in kleine blokjes waarvan de ruwe en onregelmatige oppervlakken helpen licht op te vangen en te verspreiden.

In plaats van te vertrouwen op complexe technologie, doet de natuurlijke microstructuur van de pindapit het werk op zichzelf. De laser zelf wordt nog steeds aangedreven door een externe lichtbron, maar de functionele onderdelen die het licht verspreiden en versterken zijn volledig gemaakt van biomaterialen.

“De synthese van de koolstofstippen is eenvoudig en ongecompliceerd, in wezen een drukkookproces in één stap”, legt Wang uit. “In plaats van te vertrouwen op complexe technologie, doet de natuurlijke microstructuur van de pindapit het werk op zichzelf.”

Kan worden ontwikkeld tot een optische tag

De onderzoekers testten hoeveel energie er nodig was om de laser licht te laten uitzenden, en de resultaten toonden aan dat deze net zo goed presteert als kunstmatig ontworpen lasers.

“Het potentieel van deze op biomateriaal gebaseerde willekeurige laser reikt verder dan bio-imaging en diagnostiek. Gezien de lage kosten, hernieuwbaarheid en veiligheid zou het ook kunnen worden ontwikkeld tot een optisch label voor het authenticeren van hoogwaardige documenten, luxegoederen en elektronische apparaten”, zegt Wang.

De onderzoeksgroep van Wang werkt al lang aan het benutten van lokale, hernieuwbare hulpbronnen voor nieuwe technologieën. Twee jaar geleden publiceerden ze een onderzoek dat aantoonde hoe berkenbladeren die op de campus van de Universiteit van Umeå zijn verzameld, kunnen worden gebruikt voor de productie van organische halfgeleiders – materialen die te vinden zijn in dunne tv-schermen en mobiele-telefoonschermen.

Over willekeurige lasers

Willekeurige lasers zijn veelbelovend voor medische beeldvorming en vroege ziektediagnostiek, omdat ze intens maar diffuus licht kunnen produceren dat weefsel binnendringt zonder schade te veroorzaken. In tegenstelling tot conventionele lasers, die licht uitstralen in een smalle, gerichte straal, verstrooit een willekeurige laser licht in vele richtingen. Hierdoor kan het biologische monsters gelijkmatiger belichten en gedetailleerde informatie verschaffen over structuren in het weefsel.

Een paar eerdere onderzoeken hebben op biomateriaal gebaseerde willekeurige lasers gerapporteerd die volledig uit biologische materialen bestaan, zoals abalone-schelpen of koraalskeletten gecombineerd met chlorofyl.