(Phys.org) —Utvecklingen av en "nanobarrel" som fångar och koncentrerar ljus till enstaka molekyler skulle kunna användas som ett billigt och tillförlitligt diagnostiskt test.

Jeremy Baumberg och hans 30 man starka team av forskare är mästare manipulatorer av ljus. De är specialister på nanofotonik – kontrollen av hur ljus interagerar med små bitar av materia, på skalor så små som en miljarddels meter. Det är ett fysikområde som för 20 år sedan var okänt.

Kärnan i nanofotoniken är tanken på att förändring av materialstrukturen i skala med några atomer kan användas för att inte bara förändra hur ljus interagerar med materialet, men också dess funktionella egenskaper.

"Målet är att designa material med riktigt invecklad arkitektur i en riktigt liten skala, så liten att den är mindre än ljusets våglängd, sa Baumberg, Professor i nanofotonik vid institutionen för fysik. "Oavsett om utgångsmaterialet är polystyren eller guld, att ändra formen på dess nanostruktur kan ge oss extraordinär kontroll över hur ljusenergi absorberas av elektronerna som är låsta inuti. Vi lär oss hur vi använder detta för att utveckla ny funktionalitet."

En av deras senaste prestationer är att utveckla syntetiska material som efterliknar några av naturens mest slående färger, bland dem den skimrande nyansen av opaler. Naturligt förekommande opaler bildas

'Polymeropaler', dock, är plast - som polystyren i drickskoppar - och bildas inom några minuter. Med lite smart kemi, forskarna har hittat ett sätt att göra polysterensfärer belagda i ett mjukt tuggummiliknande yttre skal.

Eftersom dessa polymeropaler vrids och sträcks, "metalliska" blå-gröna färger krusar över deras yta. Deras flexibilitet och beständigheten i deras intensiva färg gör dem till idealiska material för säkerhetskort och sedlar eller för att ersätta giftiga färgämnen i textilindustrin.

"Det avgörande är att genom att montera saker på rätt sätt får du den funktion du vill ha, sa Baumberg, som utvecklade polymeropalerna med medarbetare i Tyskland (vid DKI, nu Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability). "Om sfärerna är slumpmässiga, materialet ser vitt eller färglöst ut, men om den staplas perfekt regelbundet får du färg. Vi har upptäckt att om man smetar ut sfärerna mot varandra magiskt får dem att falla i regelbundna linjer och, på grund av tuggummilagret, när du sträcker den ändras färgen också.

"Det är ett så bra exempel på nanoteknik - vi tar ett transparent material, vi skär upp den i rätt form, vi staplar det på rätt sätt och vi får helt ny funktion."

Även om nanofotonik är ett relativt nytt område av materialforskning, Baumberg tror att vi inom två decennier kommer att börja se nanofotoniska material i allt från smarta textilier till byggnader och matfärg till solceller.

Nu, en av teamets senaste upptäckter ser ut att öppna upp applikationer inom medicinsk diagnostik.

"Vi börjar lära oss hur vi kan göra material som reagerar optiskt på närvaron av enskilda molekyler i biologiska vätskor, " förklarade han. "Det finns en stor efterfrågan på detta. Allmänläkare skulle vilja kunna testa patienten medan de väntar, snarare än att skicka iväg prover för klinisk testning. Och billiga och pålitliga tester skulle gynna utvecklingsländer som saknar dyr diagnostisk utrustning."

En vanligt förekommande teknik inom medicinsk diagnostik är Raman -spektroskopi, som detekterar närvaron av en molekyl genom sin "optiska signatur". Det mäter hur ljus förändras när det studsar av en molekyl, vilket i sin tur beror på bindningarna inom molekylen. Dock, maskinerna måste vara mycket kraftfulla för att upptäcka vad som kan vara ganska svaga effekter.

Baumberg har arbetat med Dr Oren Scherman, Direktör för Melville Laboratory for Polymer Synthesis vid Institutionen för kemi, på ett helt nytt sätt att känna av molekyler som de har utvecklat med hjälp av en tunnformad molekylär behållare som heter cucurbituril (CB). Agerar som ett litet provrör, CB gör det möjligt för enstaka molekyler att komma in i sin cylinderform, effektivt isolera dem från en blandning av molekyler.

I samarbete med forskare i Spanien och Frankrike, och med finansiering från Europeiska unionen, Baumberg och Scherman har hittat ett sätt att upptäcka vad som finns i varje fat med hjälp av ljus, genom att kombinera tunnorna med partiklar av guld bara några tusen atomer tvärs över.

"Lysande ljus på denna guld -fat -blandning fokuserar och förstärker ljusvågorna till små volymer av rymden exakt där molekylerna finns, " förklarade Baumberg. "Genom att titta på färgerna på det spridda ljuset, vi kan räkna ut vilka molekyler som finns och vad de gör, och med mycket hög känslighet."

Medan de flesta avkänningsutrustningar kräver exakta förhållanden som bara verkligen kan uppnås i laboratoriet, denna nya teknik har potential att vara en låg kostnad, pålitlig och snabb sensor för massmarknader. Mängden guld som krävs för testet är extremt liten, och guldpartiklarna självmonterar med CB vid rumstemperatur.

Nu, med finansiering från Ingenjörs- och fysikaliska forskningsrådet, och arbeta med företag och potentiella slutanvändare (inklusive NHS), Baumberg och Scherman har påbörjat processen att utveckla sina "plasmoniska sensorer" för att testa biologiska vätskor som urin och tårar, för användningar som att upptäcka signalsubstanser i hjärnan och proteininkompatibiliteter mellan mor och foster.

"På samma gång, vi vill förstå hur vi kan gå längre med tekniken, från att kontrollera kemiska reaktioner som sker inuti tunnan, att göra fångade molekyler inuti "flex" själva, och upptäcka var och en av dessa modifieringar genom färgbyte, tillade Baumberg.

"Förmågan att titta på ett litet antal molekyler i ett hav av andra har tilltalat forskare i åratal. Snart kommer vi att kunna göra detta i en aldrig tidigare skådad skala:att i realtid se hur molekyler kommer samman och genomgår kemiska reaktioner, och även hur de bildar ett band. Detta har enorma konsekvenser för att optimera katalys i industriellt relevanta processer och är därför kärnan i nästan varje produkt i våra liv."

Baumberg ser nanofotonikteknik som en helt ny verktygslåda. "Spänningen för mig är utmaningen i hur svår uppgiften är kombinerad med det faktum att man kan se att, om du bara kunde göra det, du kan få ut saker som är otroliga.

"För närvarande kan vi sätta ihop nya strukturer med olika optiska egenskaper på ett mycket kontrollerat sätt. Så småningom, fastän, vi kommer att kunna bygga saker med ljuset självt."