I ricercatori hanno trovato un modo per convertire perline microscopiche rivestite di nanoparticelle in laser più piccoli dei globuli rossi.

Questi microlaser, che convertono la luce infrarossa in luce a frequenze più alte, sono tra i più piccoli laser a emissione continua del loro genere mai segnalati e possono emettere luce costantemente e stabilmente per ore alla volta, anche se immerso in fluidi biologici come il siero sanguigno.

L'innovazione, scoperto da un team internazionale di scienziati presso il Lawrence Berkeley Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, apre la possibilità per l'imaging o il controllo dell'attività biologica con luce infrarossa, e per la fabbricazione di chip per computer basati sulla luce. I loro risultati sono dettagliati in un rapporto pubblicato online il 18 giugno in Nanotecnologia della natura .

Le proprietà uniche di questi laser, che misurano 5 micron (milionesimi di metro) di diametro, sono stati scoperti per caso mentre i ricercatori stavano studiando il potenziale delle perle di polimero (plastica), composto da una sostanza traslucida nota come colloide, da utilizzare nell'imaging cerebrale.

Angelo Fernandez-Bravo, un ricercatore post-dottorato presso la Molecular Foundry del Berkeley Lab, chi è stato l'autore principale dello studio, mescolato le perle con nanoparticelle di fluoruro di ittrio di sodio "drogate, "o incorporato, con tulio, un elemento appartenente a un gruppo di metalli noti come lantanidi. La Molecular Foundry è un centro di ricerca sulle nanoscienze aperto ai ricercatori di tutto il mondo.

Emory Chan, uno scienziato del personale presso la fonderia molecolare, nel 2016 aveva utilizzato modelli computazionali per prevedere che le nanoparticelle drogate con tulio esposte alla luce laser infrarossa a una frequenza specifica potrebbero emettere luce a una frequenza più alta di questa luce infrarossa in un processo controintuitivo noto come "upconversion".

Anche in quel momento, Elisabetta Levy, poi un partecipante al programma Summer Undergraduate Laboratory Internship (SULI) del Lab, notato che le perle ricoperte con queste "nanoparticelle in conversione" emettevano luce inaspettatamente brillante a lunghezze d'onda molto specifiche, o colori.

"Questi picchi erano chiaramente periodici e chiaramente riproducibili, " disse Emory Chan, che ha co-diretto lo studio insieme agli scienziati del personale della fonderia Jim Schuck (ora alla Columbia University) e Bruce Cohen.

I picchi periodici osservati da Chan e Levy sono un analogo basato sulla luce dell'acustica della cosiddetta "galleria dei sussurri" che può far rimbalzare le onde sonore lungo le pareti di una stanza circolare in modo che anche un sussurro possa essere sentito sul lato opposto della stanza. Questo effetto da galleria dei sussurri è stato osservato nella cupola della Cattedrale di St. Paul a Londra alla fine del 1800, Per esempio.

Nell'ultimo studio, Fernandez-Bravo e Schuck hanno scoperto che quando un laser a infrarossi eccita le nanoparticelle drogate con tulio lungo la superficie esterna delle perle, la luce emessa dalle nanoparticelle può rimbalzare sulla superficie interna del tallone proprio come i sussurri che rimbalzano lungo le pareti della cattedrale.

La luce può compiere migliaia di viaggi intorno alla circonferenza della microsfera in una frazione di secondo, facendo sì che alcune frequenze di luce interagiscano (o "interferiscano") con se stesse per produrre una luce più brillante mentre altre frequenze si annullano. Questo processo spiega gli insoliti picchi osservati da Chan e Levy.

Quando l'intensità della luce che viaggia intorno a queste perle raggiunge una certa soglia, la luce può stimolare l'emissione di più luce con lo stesso identico colore, e quella luce, a sua volta, può stimolare ancora più luce. Questa amplificazione di luce, la base per tutti i laser, produce luce intensa in una gamma molto ristretta di lunghezze d'onda nelle perline.

Schuck aveva considerato le nanoparticelle drogate con lantanidi come potenziali candidati per i microlaser, e se ne convinse quando Chan condivise con lui i dati periodici della galleria dei sussurri.

Fernandez-Bravo ha scoperto che quando ha esposto le perline a un laser a infrarossi con una potenza sufficiente, le perline si sono trasformate in laser a conversione superiore, con frequenze più alte rispetto al laser originale.

Ha anche scoperto che le perline potrebbero produrre luce laser alle potenze più basse mai registrate per la conversione dei laser basati su nanoparticelle.

"Le soglie basse consentono a questi laser di funzionare ininterrottamente per ore a potenze molto inferiori rispetto ai laser precedenti, " ha detto Fernandez-Bravo.

Altri laser a nanoparticelle in conversione funzionano solo in modo intermittente; sono esposti solo a breve, potenti impulsi di luce perché un'esposizione più lunga li danneggerebbe.

"La maggior parte dei laser basati su nanoparticelle si riscaldano molto rapidamente e muoiono in pochi minuti, " Schuck ha detto. "I nostri laser sono sempre accesi, che ci permette di adattare i loro segnali per diverse applicazioni." In questo caso, i ricercatori hanno scoperto che i loro microlaser hanno funzionato stabilmente dopo cinque ore di uso continuo. "Possiamo togliere le perline dallo scaffale mesi o anni dopo, e continuano a lassare, "Ha detto Fernandez-Bravo.

I ricercatori stanno anche esplorando come regolare con attenzione la luce in uscita dai microlaser a emissione continua semplicemente modificando la dimensione e la composizione delle perle. E hanno utilizzato un sistema robotico presso la Molecular Foundry noto come WANDA (Workstation for Automated Nanomaterial Discovery and Analysis) per combinare diversi elementi droganti e mettere a punto le prestazioni delle nanoparticelle.

I ricercatori hanno anche notato che ci sono molte potenziali applicazioni per i microlaser, come nel controllo dell'attività dei neuroni o dei microchip ottici, rilevamento di sostanze chimiche, e rilevare le variazioni ambientali e di temperatura.

"All'inizio questi microlaser funzionavano solo in aria, il che era frustrante perché volevamo introdurli nei sistemi viventi, " disse Cohen. "Ma abbiamo trovato un semplice trucco per immergerli nel siero del sangue, che ricopre le perle di proteine ​​che consentono loro di immergersi nell'acqua. Ora abbiamo visto che queste perle possono essere intrappolate insieme alle cellule nei raggi laser e guidate con gli stessi laser che usiamo per eccitarle".

L'ultimo studio, e i nuovi percorsi di studio che ha aperto, mostra quanto possa essere fortuito un risultato inaspettato, Egli ha detto. "Ci è capitato di avere le nanoparticelle e il processo di rivestimento giusti per produrre questi laser, " ha detto Schuck.