Los investigadores han encontrado una manera de convertir las bolas microscópicas recubiertas con nanopartículas en láseres más pequeños que los glóbulos rojos.
Estos microlasers, que convierten la luz infrarroja en luz a frecuencias más altas, se encuentran entre los láseres de emisión continua más pequeños de su clase y pueden emitir luz constante y estable durante horas, incluso cuando están sumergidos en fluidos biológicos como el suero sanguíneo.
La innovación, descubierta por un equipo internacional de científicos en el Laboratorio Lawrence Berkeley Berkeley Lab del Departamento de Energía de EE. UU., Abre la posibilidad de obtener imágenes o controlar la actividad biológica con luz infrarroja, y para la fabricación de chips de computadora basados en luzSus hallazgos se detallan en un informe publicado en línea el 18 de junio en Nanotecnología de la naturaleza .
Las propiedades únicas de estos láseres, que miden 5 micras millonésimas de metro de ancho, se descubrieron por accidente mientras los investigadores estudiaban el potencial de las perlas de polímero plástico, compuestas de una sustancia translúcida conocida como coloide, paraser utilizado en imágenes cerebrales.
Angel Fernández-Bravo, investigador postdoctoral en la Fundición Molecular de Berkeley Lab, quien fue el autor principal del estudio, mezcló las perlas con nanopartículas de fluoruro de itrio sódico "dopadas" o incrustadas, con tulio, un elemento que pertenece a un grupo de metalesconocido como lantánidos. The Molecular Foundry es un centro de investigación en nanociencia abierto a investigadores de todo el mundo.
Emory Chan, un científico del personal de la Fundición Molecular, había utilizado en 2016 modelos computacionales para predecir que las nanopartículas dopadas con tulio expuestas a la luz láser infrarroja a una frecuencia específica podrían emitir luz a una frecuencia más alta que esta luz infrarroja en un proceso contraintuitivoconocido como "conversión ascendente"
También en ese momento, Elizabeth Levy, entonces participante en el programa de Prácticas de Laboratorio de Pregrado de Verano del Laboratorio SULI, notó que las perlas recubiertas con estas "nanopartículas de conversión ascendente" emitían una luz inesperadamente brillante a longitudes de onda o colores muy específicos.
"Estos picos fueron claramente periódicos y claramente reproducibles", dijo Emory Chan, quien codirigió el estudio junto con los científicos del personal de fundición Jim Schuck ahora en la Universidad de Columbia y Bruce Cohen.
Los picos periódicos que Chan y Levy habían observado son un análogo basado en la luz de la acústica llamada "galería susurrante" que puede hacer que las ondas de sonido reboten a lo largo de las paredes de una habitación circular para que incluso un susurro se escuche en ellado opuesto de la habitación. Este efecto de galería susurrante se observó en la cúpula de la Catedral de San Pablo en Londres a fines del siglo XIX, por ejemplo.
En el último estudio, Fernández-Bravo y Schuck descubrieron que cuando un láser infrarrojo excita las nanopartículas dopadas con tulio a lo largo de la superficie externa de las cuentas, la luz emitida por las nanopartículas puede rebotar alrededor de la superficie interna de la cuenta como si fueran susurrosrebotando a lo largo de las paredes de la catedral.
La luz puede hacer miles de viajes alrededor de la circunferencia de la microesfera en una fracción de segundo, haciendo que algunas frecuencias de luz interactúen o "interfieran" con ellas mismas para producir una luz más brillante mientras que otras frecuencias se cancelan. Este proceso explicalos picos inusuales que Chan y Levy observaron.
Cuando la intensidad de la luz que viaja alrededor de estas perlas alcanza un cierto umbral, la luz puede estimular la emisión de más luz con exactamente el mismo color, y esa luz, a su vez, puede estimular aún más luz. Esta amplificación de la luz, elbase para todos los láseres, produce luz intensa en un rango muy estrecho de longitudes de onda en las perlas.
Schuck había considerado las nanopartículas dopadas con lantánidos como candidatos potenciales para microlasers, y se convenció de esto cuando Chan compartió con él los datos periódicos de la galería de susurros.
Fernández-Bravo descubrió que cuando expuso las bolas a un láser infrarrojo con suficiente potencia, las bolas se convirtieron en láseres de conversión ascendente, con frecuencias más altas que el láser original.
También descubrió que las perlas podían producir luz láser con las potencias más bajas jamás registradas para convertir con láser a base de nanopartículas.
"Los umbrales bajos permiten que estos láseres funcionen continuamente durante horas a potencias mucho más bajas que los láseres anteriores", dijo Fernández-Bravo.
Otros láseres de nanopartículas de conversión ascendente funcionan solo de manera intermitente; solo están expuestos a pulsos de luz cortos y potentes porque una exposición más larga los dañaría.
"La mayoría de los láseres basados en nanopartículas se calientan muy rápidamente y mueren en cuestión de minutos", dijo Schuck. "Nuestros láseres siempre están encendidos, lo que nos permite ajustar sus señales para diferentes aplicaciones". En este caso, los investigadores descubrieron que sus microlasers funcionabanestablemente después de cinco horas de uso continuo. "Podemos sacar las cuentas del estante meses o años más tarde, y aún se lasen", dijo Fernández-Bravo.
Los investigadores también están explorando cómo ajustar cuidadosamente la luz de salida de los microlasers que emiten continuamente simplemente cambiando el tamaño y la composición de las perlas. Y han utilizado un sistema robótico en la Fundición Molecular conocido como WANDA Estación de trabajo para descubrimiento automatizado de nanomateriales yAnálisis para combinar diferentes elementos dopantes y ajustar el rendimiento de las nanopartículas.
Los investigadores también observaron que existen muchas aplicaciones potenciales para los microlasers, como el control de la actividad de las neuronas o microchips ópticos, la detección de productos químicos y la detección de cambios ambientales y de temperatura.
"Al principio, estos microlasers solo funcionaban en el aire, lo cual era frustrante porque queríamos introducirlos en los sistemas vivos", dijo Cohen. "Pero encontramos un simple truco de sumergirlos en el suero sanguíneo, que recubre las cuentas con proteínas quepermítales lanzarse con agua. Ahora hemos visto que estas cuentas pueden quedar atrapadas junto con las células en rayos láser y dirigirse con los mismos láseres que usamos para excitarlos ".
El último estudio, y los nuevos caminos de estudio que ha abierto, muestra cuán fortuito puede ser un resultado inesperado, dijo. "Simplemente tuvimos las nanopartículas y el proceso de recubrimiento adecuados para producir estos láseres", dijo Schuck.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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