Nanodiamanten uitzoeken met fluorescerende centra

Wetenschappers werken al lang aan het verbeteren van hun vermogen om lasers te gebruiken om kleine objecten te verplaatsen zonder ze daadwerkelijk aan te raken. Deze methode van ‘optische trapping en manipulatie’ wordt al toegepast in de optica, biologische wetenschappen en chemie. Maar objecten worden veel moeilijker te besturen zodra ze uitgroeien tot nanoschaal.

Nu heeft een team van wetenschappers, waaronder Keiji Sasaki en Osaka Prefecture University van de universiteit van Hokkaido en Hajime Ishihara van Osaka University, een manier gevonden om diamanten nanodeeltjes met een diameter van ongeveer 50 nanometer te verplaatsen met behulp van tegengestelde lasers. Hun experimenten, gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances, gericht op verder onderzoek naar de ontwikkeling van toepassingen op gebieden als biologische beeldvorming en quantum computing.

“Wij geloven dat onze aanpak een nieuwe klasse van optische krachtmethodologieën mogelijk maakt om de kenmerken van geavanceerde nanomaterialen en kwantummaterialen te onderzoeken en om geavanceerde nanodevices te ontwikkelen”, zegt Sasaki.

Nanodiamanten hebben koolstofatoomroosters die soms een imperfectie bevatten waarin twee naburige koolstofatomen worden vervangen door een stikstofatoom en een vacature (fluorescerend centrum), die hun kwantummechanische eigenschappen beïnvloeden; nanodeeltjes reageren anders op licht, afhankelijk van hun kwantummechanische eigenschappen. Nanodiamanten met dit fluorescerende centrum (resonante nanodiamanten) absorberen groen licht en zenden rode fluorescentie uit en worden onderzocht voor toepassingen in biologische beeldvorming, detectie en bronnen van één foton. Nanodiamanten zonder fluorescerende centra resoneren niet.

Sasaki en zijn collega’s hebben een optische nanovezel gedrenkt in oplossingen van nanodiamanten met en zonder fluorescerende centra. Door met een groene laser door het ene uiteinde van de nanovezel te schijnen, werd een enkele nanodiamant met fluorescerende centra gevangen en weggevoerd van de laser.

Resonante en niet-resonante nanodiamanten die in tegengestelde richtingen bewegen

De wetenschappers toonden aan dat, wanneer een groene en een rode laser op de nanodiamanten scheen vanaf tegenoverliggende zijden van de optische nanovezel, de beweging van resonerende en niet-resonerende nanodiamanten onafhankelijk kon worden gecontroleerd: voor de niet-resonerende nanodiamanten duwt de rode laser ze sterker dan de groene laser; de resonerende exemplaren absorberen het rode laserlicht en worden daardoor sterker door de groene laser geduwd. Ze kunnen dus worden gesorteerd op basis van hun optische eigenschappen. Bovendien kon het aantal fluorescerende centra in de resonerende nanodiamanten worden gekwantificeerd door hun bewegingen onder deze omstandigheden te observeren.

Door deze techniek te gebruiken om nanodiamanten te vangen en te manipuleren, hebben de wetenschappers een proof of concept aangetoond. Hun volgende stap zou zijn om het toe te passen op organische met kleurstof gedoteerde nanodeeltjes, die kunnen worden gebruikt als nanosondes in biologische detectiesystemen.