Föreställ dig bara:En optisk lins så kraftfull att den låter dig se detaljer som är lika stora som ett litet virus på ytan av en levande cell i dess naturliga miljö.

Konstruktion av instrument med denna förmåga är nu möjligt på grund av ett grundläggande framsteg i kvaliteten på ett optiskt material som används vid hyperlinsing, en metod för att skapa linser som kan lösa upp föremål som är mycket mindre än ljusets våglängd. Prestationen rapporterades av ett team av forskare ledd av Joshua Caldwell, docent i maskinteknik vid Vanderbilt University, i en artikel publicerad 11 december i tidskriften Naturmaterial .

Det inblandade optiska materialet är hexagonal bornitrid (hBN), en naturlig kristall med hyperlinsande egenskaper. Den bästa tidigare rapporterade upplösningen med hBN var ett objekt som var cirka 36 gånger mindre än den infraröda våglängden som användes:ungefär lika stor som de minsta bakterierna. Det nya dokumentet beskriver förbättringar i kristallens kvalitet som förbättrar dess potentiella bildförmåga med ungefär en faktor tio.

Forskarna uppnådde denna förbättring genom att göra hBN-kristaller med isotopiskt renat bor. Naturligt bor innehåller två isotoper som skiljer sig i vikt med cirka 10 procent, en kombination som avsevärt försämrar kristallens optiska egenskaper i det infraröda.

"Vi har visat att hyperlinsers inneboende effektivitetsbegränsningar kan övervinnas genom isotopteknik, " sa teammedlemmen Alexander Giles, forskningsfysiker vid U.S. Naval Research Laboratory. "Att kontrollera och manipulera ljus i nanoskala dimensioner är notoriskt svårt och ineffektivt. Vårt arbete ger en ny väg framåt för nästa generation av material och enheter."

Forskare från University of California, San Diego, Kansas State University, Oak Ridge National Laboratory och Columbia University bidrog också till studien.

Forskarna beräknar att en lins gjord av deras renade kristall i princip kan fånga bilder av objekt så små som 30 nanometer stora. För att sätta detta i perspektiv, det finns 25 miljoner nanometer i en tum och mänskligt hår sträcker sig från 80, 000 till 100, 000 nanometer i diameter. En mänsklig röda blodkropp är cirka 9, 000 nanometer och virus sträcker sig från 20 till 400 nanometer.

Över åren, forskare har utvecklat många instrument som kan producera bilder med nanoskala upplösning, såsom elektronbaserade mikroskop och atomkraftsmikroskop. Dock, de är oförenliga med levande organismer:antingen arbetar de under ett högt vakuum, utsätta prover för skadliga nivåer av strålning, kräver dödliga provberedningstekniker som frystorkning eller ta bort prover från deras naturliga, lösningsbaserad miljö.

Den främsta anledningen till att utveckla hyperlinser är möjligheten att de kan ge så mycket detaljerade bilder av levande celler i sina naturliga miljöer med hjälp av lågenergiljus som inte skadar dem. Dessutom, att använda infrarött ljus för att utföra avbildningen kan också ge spektroskopisk information om objekten den avbildar, tillhandahålla ett sätt att "fingeravtrycka" materialet. Dessa förmågor kan ha en betydande inverkan på biologisk och medicinsk vetenskap. Tekniken har även potentiella tillämpningar inom kommunikation och optiska komponenter i nanoskala.

Hyperlinsernas fysik är ganska komplex. Detaljnivån som optiska mikroskop kan avbilda begränsas av ljusets våglängd och linsmaterialets brytningsindex. I kombination med objektivets bländare, avståndet från föremålet till linsen och brytningsindexet för föremålet som observeras, detta översätts till en typisk optisk gräns på ungefär hälften av den våglängd som används för avbildning. Vid de infraröda våglängder som används i detta experiment, denna "diffraktionsgräns" är cirka 3, 250 nanometer. Denna gräns kan överskridas genom att använda hBN på grund av dess förmåga att stödja ytfononpolaritoner, hybridpartiklar som består av fotoner av ljus som kopplar ihop med vibrerande, laddade atomer i en kristall som har våglängder mycket kortare än det infallande ljuset.

Förr, Problemet med att använda polaritoner på detta sätt har varit hur snabbt de försvinner. Genom att använda hBN-kristaller gjorda av 99 procent isotopiskt rent bor, forskarna har mätt en dramatisk minskning av optiska förluster jämfört med naturliga kristaller, tredubbla polaritonens livstid, vilket gör att de kan resa det tredubbla avståndet. Denna förbättring översätts till en betydande förbättring av bildupplösningen. Forskarnas teoretiska analys tyder på att ytterligare en faktor tio förbättring är möjlig.

"För närvarande, vi har testat mycket små flingor av renat hBN, ", sa Caldwell. "Vi tror att vi kommer att se ytterligare förbättringar med större kristaller."

År 1654 använde Anton van Leeuwenhoek ett av de första handgjorda mikroskopen för att upptäcka den tidigare okända världen av mikroskopiskt liv. Detta senaste framsteg inom hyperlinsutveckling är ett viktigt steg mot att ta van Leeuwenhoeks upptäckt till en helt ny nivå, en som gör det möjligt för biologer att direkt observera cellulära processer i aktion, som virus som invaderar celler eller immunceller som attackerar främmande inkräktare.