Il DNA è il materiale ereditario nel nucleo di tutte le cellule dell'uomo e di altri organismi viventi. Oltre al suo significato in biologia, Il DNA ha anche svolto un ruolo specifico nel controllo di molti dispositivi fisici. Recentemente, un team di ricerca internazionale presso la Nanyang Technological University, Singapore, ha dimostrato il concetto di un microlaser commutabile sfruttando il processo di ibridazione del DNA di biomolecole organiche.

Ad oggi, i progressi nei microlaser commutabili sono emersi come elementi costitutivi con un immenso potenziale nel controllo delle interazioni luce-materia e della fotonica integrata. In genere, la commutazione ottica è ottenuta mediante la fabbricazione di dispositivi complessi o alcuni approcci fisici, come modificare la struttura o l'indice di rifrazione delle cavità laser. Contrariamente all'interfaccia progettata artificialmente, le biointerfacce sensibili agli stimoli sfruttano un sistema biologico e il bioriconoscimento in modo tale da poter realizzare un livello più elevato di funzionalità su scala nanometrica. Ciò nonostante, la commutazione dell'emissione laser con il riconoscimento biologico deve ancora essere affrontata, in particolare con sintonizzabilità reversibile e lunghezza d'onda su un ampio intervallo spettrale.

Per affrontare questo problema, Il team di Chen ha sviluppato un nuovo metodo per commutare l'emissione laser incorporando il DNA in una microcavità ottica. Il DNA è uno dei biomateriali più potenti noti per la sua sintesi controllabile e la specificità delle interazioni della coppia di basi. La programmabilità e l'autoassemblaggio delle strutture del DNA offrono modi versatili per costruire biointerfacce del DNA e personalizzare la risposta ottica. La microcavità ottica Fabry-Perot è costituita da due specchi dielettrici, in cui sono stati introdotti cristalli liquidi drogati con colorante come guadagno ottico per migliorare la risposta degli eventi di legame al DNA.

La forte interazione luce-materia indotta dalla microcavità consente quindi di amplificare sottili cambiamenti all'interno della cavità e delle matrici di cristalli liquidi. La molecola di cristallo liquido cambia da omeotropico a planare quando il DNA a singolo filamento (sDNA) viene adsorbito sul monostrato cationico della matrice. I cambiamenti di orientamento delle molecole LC hanno quindi determinato uno spostamento verso il blu della lunghezza d'onda del laser con un'amplificazione del segnale pronunciata. La lunghezza d'onda del laser potrebbe essere ripristinata al momento del legame con la sua parte complementare attraverso il processo di ibridazione del DNA.

"Abbiamo usato questa speciale interazione DNA-cristallo liquido come potere di commutazione per alterare l'orientamento dei cristalli liquidi nella microcavità di Fabry-Perot in modo da ottenere la commutazione dell'emissione laser tra diverse lunghezze d'onda, " ha detto il professor Yu-Cheng Chen, l'autore corrispondente dello studio. Le interazioni portano alla commutazione temporale delle lunghezze d'onda e delle intensità laser. La lunghezza d'onda del laser appare spostamento verso il blu quando viene introdotto ssDNA. Ritorna ibridandosi con le sue basi complementari. Sia gli studi sperimentali che quelli teorici hanno rivelato che la forza di assorbimento del mezzo di guadagno è il meccanismo critico che determina il comportamento di spostamento del laser.

"Il significato di questo studio è introdurre il concetto di utilizzo di biomolecole organiche per commutare sorgenti luminose coerenti a diverse lunghezze d'onda. Rappresenta una pietra miliare nel raggiungimento di laser a controllo biologico, " ha affermato Chen. Il team ritiene che questo studio faccia luce sullo sviluppo di dispositivi fotonici programmabili su scala sub-nano sfruttando la complessità e l'autoriconoscimento delle biomolecole. Sfruttando la complessità e l'autoriconoscimento delle sequenze di DNA, la luce laser potrebbe essere completamente manipolata e programmata. La notevole capacità di riconoscimento molecolare specifico potrebbe essere potenzialmente adatta per applicazioni come la codifica delle informazioni e l'archiviazione di dati con luce laser in futuro. Questo lavoro è stato pubblicato in ACS Nano .