Het onderzoeken van een nanokristal dat voor onbepaalde tijd aan en uit schijnt

In 2021 veroorzaakten met lanthanide gedoteerde nanodeeltjes golven – of beter gezegd een lawine – toen Changwan Lee, toen een Ph.D. student in het laboratorium van Jim Schuck aan Columbia Engineering, veroorzaakte een extreme lichtproducerende kettingreactie van ultrakleine kristallen ontwikkeld in de Molecular Foundry in Berkeley Lab. Diezelfde kristallen zijn weer terug met een knippering die nu opzettelijk en voor onbepaalde tijd kan worden gecontroleerd.

“We hebben het eerste volledig fotostabiele, volledig fotoschakelbare nanodeeltje gevonden – een heilige graal van nanoprobe-ontwerp”, zegt Schuck, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde.

Dit unieke materiaal werd gesynthetiseerd in de laboratoria van Emory Chan en Bruce Cohen bij de Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Laboratory en in een nationaal laboratorium in Zuid-Korea. Het onderzoeksteam omvatte ook het laboratorium van Yung Doug Suh aan het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST).

De heilige graal: een eenvoudige, stabiele lichtschakelaar

Bestaande organische kleurstoffen en fluorescerende eiwitten die worden gebruikt in toepassingen zoals optisch geheugen, nanopatterning en bioimaging hebben jarenlange doorbraken opgeleverd (en in 2014 een Nobelprijs voor scheikunde gewonnen), maar deze moleculen hebben een beperkte levensduur. Bij verlichting zullen de meeste willekeurig beginnen te knipperen en uiteindelijk permanent donker worden, of “fotobleekmiddel”.

Met lanthanide gedoteerde nanodeeltjes vertonen daarentegen een opmerkelijke fotostabiliteit. In de meer dan 15 jaar dat hij met hen samenwerkte in zijn laboratorium, merkte Schuck op dat ze er nog nooit een hebben zien sterven. Tot op een willekeurige dag in 2018 Lee en Ph.D. student Emma Xu zag een kristal donker worden en dan weer inschakelen. Lee verdiepte zich in de literatuur en vond 30 jaar oude vermeldingen van lanthanide optische vezels die “fotoverduisterd” en “fotoverlicht” konden worden – wat suggereert dat het knippergedrag onder controle kon worden gehouden.

In een nieuw artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuur, het team doet precies dat. Met behulp van nabij-infrarood licht verdonkerden en verhelderden ze hun nanodeeltjes meer dan duizend keer in verschillende omgevings- en waterige omgevingen zonder tekenen van degradatie.

“We kunnen deze deeltjes, die anders niet fotobleachen, uitschakelen met de ene golflengte van licht en weer inschakelen met een andere, simpelweg met behulp van gewone lasers,” zei Lee. Met name kan nabij-infraroodlicht diep doordringen in zowel anorganische materialen als biologisch weefsel met minimale verstrooiing of fototoxiciteit.

Vreemde resultaten fleuren toekomstige toepassingen op

Kijkend naar mogelijke toepassingen, liet het team zien hoe de deeltjes kunnen worden gebruikt om patronen op 3D-substraten te schrijven en te herschrijven, wat op een dag optische gegevensopslag met hoge dichtheid en computergeheugen zou kunnen verbeteren.

“Dit onbepaalde, bidirectionele fotoomschakelende nanokristal zou een volledig optisch kwantumgeheugenapparaat kunnen opleveren voor het opslaan van de enorme hoeveelheid gegevens die door kwantumcomputers worden geproduceerd – denk aan cd-roms en cd-rw’s, maar dan sneller en veel nauwkeuriger, ” zei Suh.

De deeltjes bieden ook een potentieel oneindig oplossend vermogen, dat afhangt van het aantal fotonen dat wordt geproduceerd door een sonde onder een nanoscoop met superresolutie. Met behulp van apparatuur in het laboratorium van Suh bereikte Lee sub-Àngstrom-precisie in slechts een paar uur.

Het team is van mening dat fotowisseling die in het huidige werk wordt waargenomen, uiteindelijk het gevolg is van atoomkristaldefecten die te klein zijn om te worden gevisualiseerd, zelfs met de meest geavanceerde elektronenmicroscopen. Deze defecten verschuiven de lawinedrempel van het deeltje omhoog of omlaag en kunnen worden geschakeld door verschillende golflengten van licht om het signaal zwakker of helderder te maken.

Naast het nastreven van potentiële toepassingen in optisch geheugen, superresolutiemicroscopie en bioimaging en biosensing, gebruikt het team robots voor de synthese van nanodeeltjes bij de Molecular Foundry, geavanceerde computermodellen en machine learning om de huidige kristallen verder te verbeteren en te onderzoeken of ze dat kunnen andere soorten nanodeeltjes synthetiseren met vergelijkbare fotoschakelbare eigenschappen.

Deze hele studie was een verrassing, zei Cohen. “We zeiden al sinds onze paper uit 2009 dat deze klasse nanodeeltjes niet aan en uit gaat, en toch is dat precies wat we hier bestuderen. Een van de dingen die we met deze nanodeeltjes hebben gevonden, is dat ze rare resultaten omarmen. ”