När halvledarnanoroder utsätts för ljus, de blinkar i ett till synes slumpmässigt mönster. Genom att samla nanoroder tillsammans, fysiker vid University of Pennsylvania har visat att deras kombinerade "på" -tid ökas dramatiskt och ger ny inblick i detta mystiska blinkande beteende.
Forskningen genomfördes av docent Marija Drndics grupp, inklusive doktorand Siying Wang och postdoktorer Claudia Querner och Tali Dadosh, alla vid Institutionen för fysik och astronomi i Penn's School of Arts and Sciences. De samarbetade med Catherine Crouch från Swarthmore College och Dmitry Novikov från New York University's School of Medicine.
Deras forskning publicerades i tidskriften Naturkommunikation .
När den förses med energi, om det är i form av ljus, el eller vissa kemikalier, många halvledare avger ljus. Denna princip fungerar i ljusemitterande dioder, eller lysdioder, som finns i valfritt antal konsumentelektronik.
På makroskalan, denna elektroluminiscens är konsekvent; LED -lampor, till exempel, kan lysa i flera år med en bråkdel av energin som används av även kompakt-lysrör. Men när halvledare krymper till nanometerstorlek, istället för att lysa stadigt, de slår "på" och "av" på ett oförutsägbart sätt, växla mellan att avge ljus och att vara mörk under varierande tid. Under årtiondet sedan detta observerades, många forskargrupper runt om i världen har försökt att avslöja mekanismen för detta fenomen, som fortfarande inte är helt förstådd.
"Blinkande har studerats i många olika nanoskala material i över ett decennium, eftersom det är förvånande och spännande, men det är statistiken för blinkningen som är så ovanlig, "Sa Drndic." Dessa nanoroder kan vara "på" och "av" för alla tidsskalor, från en mikrosekund till timmar. Därför arbetade vi med Dmitry Novikov, som studerar stokastiska fenomen i fysiska och biologiska system. Denna ovanliga Levi -statistik uppstår när många faktorer konkurrerar med varandra vid olika tidsskalor, resulterar i ett ganska komplext beteende, med exempel från jordbävningar till biologiska processer till börsfluktuationer. "
Drndic och hennes forskargrupp, genom en kombination av bildtekniker, har visat att gruppering av dessa nanorod -halvledare kraftigt ökar deras totala "på" -tid i en slags "lägereldseffekt". Att lägga till en stav i klustret har en multiplikationseffekt på gruppens "på" -period.
"Om du sätter ihop nanoroder, om var och en blinkar i sällsynta korta utbrott, du skulle tro att den maximala "på" tiden för gruppen inte kommer att vara mycket större än den för en nanorod, eftersom deras utbrott mestadels inte överlappar varandra, "Sa Novikov." Det vi ser är kraftigt långvariga "på" skurar när nanoroder är mycket nära varandra, som om de hjälper varandra att fortsätta lysa, eller "brinner". "
Drndics grupp visade detta genom att avsätta kadmium selenid nanoroder på ett substrat, lyser en blå laser på dem, sedan ta video under ett optiskt mikroskop för att observera det röda ljuset som nanoroderna sedan sände ut. Även om denna teknik gav data om hur länge varje kluster var "på, "laget behövde använda transmissionselektronmikroskopi, eller TEM, för att skilja varje individ, 5-nanometer stång och mäta storleken på varje kluster.
En uppsättning guldlinjer tillät forskarna att märka och lokalisera enskilda nanorodkluster. Wang överlade sedan ungefär tusen sammanfogade TEM-bilder med luminescensdata som hon tog med det optiska mikroskopet. Forskarna observerade "lägereldseffekten" i kluster så små som två och så stora som 110, när klustret effektivt fick makroskaliga egenskaper och slutade blinka helt.
Även om den exakta mekanismen som orsakar denna långvariga luminescens ännu inte kan fastställas, Drndics teamfynd stöder tanken att interaktioner mellan elektroner i klustret är roten till effekten.
"Genom att flytta från ena änden av en nanorod till den andra, eller på annat sätt ändra position, vi antar att elektroner i en stav kan påverka de i angränsande stavar på ett sätt som förbättrar de andra stavarnas förmåga att avge ljus, "Crouch sa." Vi hoppas att våra resultat kommer att ge insikt i dessa nanoskala interaktioner, samt hjälpa till att vägleda framtida arbete för att förstå blinkning i enstaka nanopartiklar. "
Eftersom nanoroder kan vara en storleksordning mindre än en cell, men kan avge en signal som relativt enkelt kan ses under ett mikroskop, de har länge ansetts vara potentiella biomarkörer. Deras inkonsekventa belysningsmönster, dock, har begränsat deras användbarhet.
"Biologer använder halvledarnanokrystaller som fluorescerande etiketter. En betydande nackdel är att de blinkar, "Drndic sa." Om utsläppstiden kan förlängas till många minuter gör det dem mycket mer användbara. Med vidareutveckling av syntesen, kanske kluster kan utformas som förbättrade etiketter. "
Framtida forskning kommer att använda mer beställda nanorodaggregat och kontrollerade interpartikelseparationer för att ytterligare studera detaljerna om partikelinteraktioner.
