Forskare har hittat ett sätt att omvandla nanopartikelbelagda mikroskopiska pärlor till lasrar som är mindre än röda blodkroppar.

Dessa mikrolasare, som omvandlar infrarött ljus till ljus vid högre frekvenser, är bland de minsta kontinuerligt avgivande lasrarna i sitt slag som någonsin rapporterats och kan konstant och stabilt avge ljus i timmar i taget, även när den är nedsänkt i biologiska vätskor som blodserum.

Innovationen, upptäckt av ett internationellt team av forskare vid U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley Laboratory (Berkeley Lab), öppnar möjligheten för avbildning eller kontroll av biologisk aktivitet med infrarött ljus, och för tillverkning av ljusbaserade datorchips. Deras resultat är detaljerade i en rapport som publicerades online den 18 juni Naturnanoteknik .

De unika egenskaperna hos dessa lasrar, som mäter 5 mikron (miljondelar av en meter), upptäcktes av en slump när forskare studerade potentialen för polymer (plast) pärlor, består av en genomskinlig substans som kallas en kolloid, att användas vid hjärnbildning.

Angel Fernandez-Bravo, en postdoktor vid Berkeley Labs Molecular Foundry, vem var huvudförfattare till studien, blandade pärlorna med natrium yttriumfluorid nanopartiklar "dopade, "eller inbäddad, med tulium, ett element som tillhör en grupp metaller som kallas lanthanider. Molecular Foundry är ett forskningscenter för nanovetenskap som är öppet för forskare från hela världen.

Emory Chan, en personalvetare vid Molecular Foundry, hade 2016 använt beräkningsmodeller för att förutsäga att tuliumdopade nanopartiklar som utsätts för infrarött laserljus vid en specifik frekvens kan avge ljus med en högre frekvens än detta infraröda ljus i en motintuitiv process som kallas "uppkonvertering".

Också vid den tiden, Elizabeth Levy, sedan en deltagare i Labs Summer Undergraduate Laboratory Internship (SULI) -program, märkte att pärlor belagda med dessa "uppkonverterande nanopartiklar" avgav oväntat starkt ljus vid mycket specifika våglängder, eller färger.

"Dessa spikar var tydligt periodiska och klart reproducerbara, "sade Emory Chan, som ledde studien tillsammans med Foundry Staff Scientists Jim Schuck (nu vid Columbia University) och Bruce Cohen.

De periodiska spikarna som Chan och Levy hade observerat är en ljusbaserad analog till så kallad "viskande galleri" akustik som kan få ljudvågor att studsa längs väggarna i ett cirkulärt rum så att även en viskning kan höras på motsatt sida av rummet. Denna viskande galleri-effekt observerades i kupolen i St. Paul's Cathedral i London i slutet av 1800-talet, till exempel.

I den senaste studien, Fernandez-Bravo och Schuck fann att när en infraröd laser exciterar de tuliumdopade nanopartiklarna längs pärlornas yttre yta, ljuset från nanopartiklarna kan studsa runt pärlens inre yta precis som viskningar som studsar längs katedralens väggar.

Ljus kan göra tusentals resor runt mikrosfärens omkrets på en bråkdel av en sekund, orsakar att vissa ljusfrekvenser interagerar (eller "stör") med sig själva för att producera starkare ljus medan andra frekvenser avbryter sig själva. Denna process förklarar de ovanliga spikarna som Chan och Levy observerade.

När ljusintensiteten som färdas runt dessa pärlor når en viss tröskel, ljuset kan stimulera utsläpp av mer ljus med exakt samma färg, och det ljuset, i tur och ordning, kan stimulera ännu mer ljus. Denna förstärkning av ljus, grunden för alla lasrar, producerar intensivt ljus vid ett mycket smalt område av våglängder i pärlorna.

Schuck hade ansett lantaniddopade nanopartiklar som potentiella kandidater för mikrolasare, och han blev övertygad om detta när Chan delade med sig av de periodiska viskningsgalleridata.

Fernandez-Bravo fann att när han exponerade pärlorna för en infraröd laser med tillräckligt med kraft, förvandlades pärlorna till uppkonverterande lasrar, med högre frekvenser än den ursprungliga lasern.

Han fann också att pärlor kunde producera laserljus med de lägsta effekterna som någonsin registrerats för uppkonvertering av nanopartikelbaserade lasrar.

"De låga trösklarna tillåter dessa lasrar att arbeta kontinuerligt i timmar med mycket lägre effekter än tidigare lasrar, sa Fernandez-Bravo.

Andra uppkonverterande nanopartikellasrar fungerar endast intermittent; de utsätts bara för korta, kraftiga ljuspulser eftersom längre exponering skulle skada dem.

"De flesta nanopartikelbaserade lasrar värms upp mycket snabbt och dör inom några minuter, "Sade Schuck." Våra lasrar är alltid igång, vilket gör att vi kan justera deras signaler för olika applikationer. "I det här fallet, forskare fann att deras mikrolasare presterade stabilt efter fem timmars kontinuerlig användning. "Vi kan ta pärlorna från hyllan månader eller år senare, och de laser fortfarande, "Sa Fernandez-Bravo.

Forskare undersöker också hur man noggrant kan ställa in utgångsljuset från de kontinuerligt avgivande mikrolaserna genom att helt enkelt ändra storlek och sammansättning av pärlorna. Och de har använt ett robotsystem vid Molecular Foundry som kallas WANDA (Workstation for Automated Nanomaterial Discovery and Analysis) för att kombinera olika dopningsmedel och justera nanopartiklarnas prestanda.

Forskarna noterade också att det finns många potentiella applikationer för mikrolasarna, såsom kontroll av aktiviteten hos neuroner eller optiska mikrochips, avkänningskemikalier, och detektera miljö- och temperaturförändringar.

"Först arbetade dessa mikrolasare bara i luft, vilket var frustrerande eftersom vi ville införa dem i levande system, "Sa Cohen." Men vi hittade ett enkelt knep att doppa dem i blodserum, som täcker pärlorna med proteiner som gör att de kan vasas i vatten. Vi har nu sett att dessa pärlor kan fångas ihop med celler i laserstrålar och styras med samma lasrar som vi använder för att excitera dem. "

Den senaste studien, och de nya studievägar som den har öppnat, visar hur olyckligt ett oväntat resultat kan vara, han sa. "Vi råkade bara ha rätt nanopartiklar och beläggningsprocess för att producera dessa lasrar, "Sa Schuck.