Gang Han und Kollegen entwickeln superfluoreszierende, lichtemittierende Nanokristall-Alternativen zu Lasern

Gang Han und Kollegen entwickeln superfluoreszierende, lichtemittierende Nanokristall-Alternativen zu Lasern

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Gang Han, PhD, Professor für Biochemie und molekulare Biotechnologie, und Forscher an der North Carolina State University haben ein Superfluoreszenz-Kristall-Nanopartikel entwickelt, um bei Raumtemperatur sicher Licht in Laserqualität zu erzeugen.

Forscher der UMass Chan Medical School und der North Carolina State University haben ein Superfluoreszenz-Kristall-Nanopartikel entwickelt, das Nahinfrarotlicht verwendet, eine Wellenlänge des Lichts jenseits dessen, was Menschen sehen können, um bei Raumtemperatur sicher Licht in Laserqualität zu erzeugen. Diese Entdeckung, veröffentlicht in Naturphotonikhat das Potenzial, eine einfach zu bedienende, nanoskalige Lichtquelle für laserbasierte biomedizinische Anwendungen bereitzustellen.

„Unsere Bemühungen tragen zur Lichtquellentechnologie der nächsten Generation für biomedizinische Anwendungen bei“, sagte Gang Han, PhD, Professor für Biochemie und molekulare Biotechnologie. „Wir glauben, dass dieses Superfluoreszenz-Nanopartikel eine revolutionäre Lösung für Bioimaging und Phototherapien bietet, die auf eine saubere und intensive Lichtquelle warten. Superfluoreszenz-Emission ist eine ideale Alternative zu Lasern, da sie scharf und hell ist.“

Superfluoreszenz ist ein spezielles quantenoptisches Phänomen, bei dem einzelne Lichtemitter zusammenarbeiten, um sich zu einem riesigen Quantendipol zusammenzufügen. Wenn es richtig ausgerichtet ist, ist es dann in der Lage, kurze intensive Lichtblitze zu erzeugen, die als Superfluoreszenz bezeichnet werden. Die Herstellung ist jedoch nicht einfach.

„Die sperrige Größe und die extrem niedrige Temperatur, die für die Superfluoreszenz erforderlich sind, haben praktische Anwendungen im biomedizinischen Bereich zu einer ziemlichen Herausforderung gemacht“, sagte Dr. Han.

Um diese Einschränkungen anzugehen, entwickelten Han und Shuang Fang Lim, PhD, außerordentliche Professoren für Physik an der North Carolina State University, ein einzigartiges Medium zur Realisierung von Superfluoreszenz bei Raumtemperatur.

Superfluoreszenz bei Raumtemperatur ist schwer zu erreichen, da es für die Atome schwierig ist, gemeinsam zu emittieren, ohne durch die Umgebung aus der Ausrichtung „geschleudert“ zu werden. In den Nanopartikeln von Han und Dr. Lim kommt das Licht jedoch von Elektronenorbitalen, die unter anderen Elektronen „begraben“ sind, die als Abschirmung oder Isolierung wirken und selbst bei Raumtemperatur Superfluoreszenz ermöglichen.

„Außerdem haben wir eine hohe Konzentration von Ionen in den Kristall dotiert, wodurch die Emitter extrem nahe beieinander liegen und viel einfacher miteinander zu synchronisieren sind“, sagte Han. „Der Emitterabstand in unserem System beträgt nur 0,35 nm, was 27-mal kürzer ist als der Emitterabstand in dem zuvor beschriebenen Superfluoreszenzmedium.“

„Als wir das Material mit unterschiedlichen Laserintensitäten anregten, stellten wir fest, dass es bei jeder Anregung in regelmäßigen Abständen drei Superfluoreszenzpulse aussendet“, sagte Dr. Lim, Mitautor der Forschung. „Und die Impulse verschlechtern sich nicht – jeder Impuls ist zwei Nanosekunden lang. Das Up-Conversion-Nanopartikel zeigt also nicht nur bei Raumtemperatur Superfluoreszenz, sondern auch auf kontrollierbare Weise.“

Han merkte auch an, dass das Team auf der Grundlage des intelligenten Materialdesigns gezeigt hat, dass die aufwärtskonvertierte Superfluoreszenz sowohl in der Nanokristallanordnung als auch in einem einzelnen Nanokristall auftreten kann, wobei letzterer das kleinste Superfluoreszenzmedium aller Zeiten war. Sie waren in der Lage, einen extrem scharfen Superfluoreszenz-Emissionspeak mit einer Halbwertsbreite von nur 2 Nanometern auf der Ebene eines einzelnen Nanokristalls zu erzeugen. Darüber hinaus beträgt die Lebensdauer der Upconversion-Superfluoreszenz nur 46 Nanosekunden, was im Vergleich zur herkömmlichen Upconversion-Lumineszenz 10.000-fach beschleunigt ist.

„Die Superfluoreszenz eines einzelnen Nanokristalls ist sehr ermutigend“, sagte Han. „Da die Größe des Mediums weniger als 500 Nanometer beträgt, ist unser System eine beispiellose Alternative zu Lasern als Lichtquelle für biomedizinische Anwendungen. Da die Superfluoreszenz unseres Systems nicht von Hohlraum- oder komplexen Mediumpräparationen im Laser abhängt, ist der synthetisierte Nanokristall gebrauchsfertig und erzeugt bei Raumtemperatur einen monochromatischen, hellen und schnellen Lichtstoß. In diesem Fall stellen wir uns vor, dass unser Produkt eine revolutionäre Lichtquelle in Nanogröße und mit einfacher Bedienung für eine Reihe von laserbasierten biomedizinischen Anwendungen bieten wird.“

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