(Phys.org) — Lo sviluppo di un "nanobarile" che intrappola e concentra la luce su singole molecole potrebbe essere utilizzato come test diagnostico affidabile ea basso costo.

Jeremy Baumberg e il suo team di 30 ricercatori sono maestri nella manipolazione della luce. Sono specialisti in nanofotonica - il controllo di come la luce interagisce con piccoli pezzi di materia, su scale piccole come un miliardesimo di metro. È un campo della fisica che 20 anni fa era sconosciuto.

Al centro della nanofotonica c'è l'idea che cambiare la struttura dei materiali alla scala di pochi atomi può essere usato per alterare non solo il modo in cui la luce interagisce con il materiale, ma anche le sue proprietà funzionali.

"L'obiettivo è progettare materiali con un'architettura davvero intricata su una scala davvero ridotta, così piccolo è più piccolo della lunghezza d'onda della luce, " disse Baumberg, Professore di Nanofotonica nel Dipartimento di Fisica. "Se il materiale di partenza è polistirolo o oro, cambiare la forma della sua nanostruttura può darci un controllo straordinario su come l'energia luminosa viene assorbita dagli elettroni bloccati all'interno. Stiamo imparando come usarlo per sviluppare nuove funzionalità".

Uno dei loro recenti successi è lo sviluppo di materiali sintetici che imitano alcuni dei colori più sorprendenti della natura, tra questi la tonalità cangiante degli opali. Si formano opali naturali

"Opali polimerici", però, sono di plastica – come il polistirolo nei bicchieri – e si formano in pochi minuti. Con un po' di chimica intelligente, i ricercatori hanno trovato un modo per realizzare sfere di polisterene ricoperte da un guscio esterno morbido simile a una gomma da masticare.

Poiché questi opali polimerici sono attorcigliati e allungati, i colori "metallici" blu-verdi si increspano sulla loro superficie. La loro flessibilità e la permanenza del loro colore intenso li rendono materiali ideali per carte di sicurezza e banconote o per sostituire coloranti tossici nell'industria tessile.

"La cosa cruciale è che assemblando le cose nel modo giusto si ottiene la funzione che si desidera, " disse Baumberg, che ha sviluppato gli opali polimerici con collaboratori in Germania (presso il DKI, ora il Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability). "Se le sfere sono casuali, il materiale appare bianco o incolore, ma se impilati perfettamente regolarmente ottieni colore. Abbiamo scoperto che spalmare le sfere l'una contro l'altra magicamente le fa cadere in linee regolari e, a causa dello strato di gomma da masticare, quando lo allunghi cambia anche il colore.

"È un ottimo esempio di nanotecnologia:prendiamo un materiale trasparente, lo tagliamo nella forma giusta, lo impiliamo nel modo giusto e otteniamo una funzione completamente nuova."

Sebbene la nanofotonica sia un'area relativamente nuova della ricerca sui materiali, Baumberg crede che entro due decenni inizieremo a vedere materiali nanofotonici in qualsiasi cosa, dai tessuti intelligenti agli edifici, dai coloranti alimentari alle celle solari.

Ora, una delle ultime scoperte del team sembra destinata ad aprire applicazioni nella diagnostica medica.

"Stiamo iniziando a imparare come possiamo realizzare materiali che rispondono otticamente alla presenza di singole molecole nei fluidi biologici, " ha spiegato. "C'è una grande richiesta per questo. I medici di famiglia vorrebbero poter testare il paziente mentre aspetta, piuttosto che inviare i campioni per i test clinici. E test economici e affidabili andrebbero a beneficio dei paesi in via di sviluppo che non dispongono di costose apparecchiature diagnostiche".

Una tecnica comunemente usata nella diagnostica medica è la spettroscopia Raman, che rileva la presenza di una molecola tramite la sua 'firma ottica'. Misura come cambia la luce quando rimbalza su una molecola, che a sua volta dipende dai legami all'interno della molecola. Però, le macchine devono essere molto potenti per rilevare quelli che possono essere effetti piuttosto deboli.

Baumberg ha lavorato con il dottor Oren Scherman, Direttore del Melville Laboratory for Polymer Synthesis nel Dipartimento di Chimica, su un modo completamente nuovo di percepire le molecole che hanno sviluppato utilizzando un contenitore molecolare a forma di botte chiamato cucurbituril (CB). Agendo come una piccola provetta, CB consente alle singole molecole di entrare nella sua forma a botte, isolandoli efficacemente da una miscela di molecole.

In collaborazione con ricercatori in Spagna e Francia, e con finanziamenti dell'Unione Europea, Baumberg e Scherman hanno trovato un modo per rilevare cosa c'è in ogni barile usando la luce, combinando i barili con particelle d'oro del diametro di poche migliaia di atomi.

"Fare luce su questa miscela di barili d'oro focalizza e migliora le onde luminose in piccoli volumi di spazio esattamente dove si trovano le molecole, "Spiegava Baumberg. "Guardando i colori della luce diffusa, possiamo capire quali molecole sono presenti e cosa stanno facendo, e con una sensibilità molto elevata."

Considerando che la maggior parte delle apparecchiature di rilevamento richiede condizioni precise che possono essere realmente raggiunte solo in laboratorio, questa nuova tecnologia ha il potenziale per essere a basso costo, sensore affidabile e rapido per i mercati di massa. La quantità di oro richiesta per il test è estremamente piccola, e le particelle d'oro si autoassemblano con CB a temperatura ambiente.

Ora, con il finanziamento del Consiglio di ricerca in ingegneria e scienze fisiche, e lavorare con aziende e potenziali utenti finali (incluso il SSN), Baumberg e Scherman hanno iniziato il processo di sviluppo dei loro "sensori plasmonici" per testare fluidi biologici come urina e lacrime, per usi come il rilevamento di neurotrasmettitori nel cervello e incompatibilità proteiche tra madre e feto.

"Allo stesso tempo, vogliamo capire come possiamo andare oltre con la tecnologia, dal controllo delle reazioni chimiche che avvengono all'interno della canna, a fare in modo che le molecole catturate all'interno si "flettino", e rilevare ciascuna di queste modifiche attraverso il cambio di colore, "aggiunse Baumberg.

"La capacità di osservare un piccolo numero di molecole in un mare di altre attrae per anni gli scienziati. Presto saremo in grado di farlo su una scala senza precedenti:osservando in tempo reale come le molecole si uniscono e subiscono reazioni chimiche, e anche come formano un legame. Ciò ha enormi implicazioni per l'ottimizzazione della catalisi nei processi di rilevanza industriale ed è quindi al centro di quasi tutti i prodotti della nostra vita".

Baumberg considera la tecnologia nanofotonica come una cassetta degli attrezzi completamente nuova. "L'eccitazione per me è la sfida di quanto sia difficile il compito è combinato con il fatto che puoi vedere che, se solo tu potessi farlo, puoi tirare fuori cose incredibili.

"Al momento siamo in grado di assemblare nuove strutture con diverse proprietà ottiche in modo altamente controllato. Alla fine, anche se, potremo costruire cose con la luce stessa."