Det moderna samhället arbetar närmare nanoskalan än vad det anar. Genombrott och framsteg när det gäller att utveckla och manipulera nanostrukturer har lett till tekniska framsteg som inte bara driver avbildnings- och avkänningsenheter utan också möjliggör stöttepelare i det moderna livet som pekskärmar och högupplösta LED-skärmar.

En ny recension författad av internationella ledare inom sitt område, och publiceras i Natur , fokuserar på de självlysande nanopartiklarna i hjärtat av många framsteg och möjligheterna och utmaningarna för dessa teknologier att nå sin fulla potential.

Senior författare, Professor Dayong Jin, säger att genom att försöka förstå hur enskilda nanopartiklar beter sig ställer forskarna mycket grundläggande frågor för att utveckla verktyg som kan användas för att realisera tekniska genombrott inom olika områden, inklusive personlig medicin, cybersäkerhet och kvantkommunikation.

"Syftet med detta fält är att verkligen förstå egenskaperna hos dessa konstgjorda atomer så att deras egenskaper kan kontrolleras och skräddarsys för den applikation vi behöver, " säger han. Professor Jin är direktör för University of Technology Sydney (UTS) Institute for Biomedical Materials &Devices (IBMD) och chef för UTS-SUStech Joint Research Centre for Biomedical Materials &Devices.

Tidningen kartlägger ökningen av enstaka molekylmätningar och de snabba framstegen inom optisk mikroskopi som gjorde det möjligt att "se" fluorescensen hos enstaka fotoner och, vari, upptäckten av den underliggande fotofysiken i nanoskalan. Från kvantprickar till kolprickar, fluorescerande nanodiamanter och nanopartiklar tillverkade av obskyra mineraler som perovskit – alla lovande verktyg för så olika tillämpningar som bildbehandling, biomarkördetektering och datalagring.

Men som författarna medger "ju närmare vi strävar efter perfektion inom nanopartikeldesign, desto svårare blir utmaningarna”.

Huvudförfattare Dr Jiajia Zhou från UTS IBMD, som specialiserat sig på att bygga en partikel optisk spektroskopi för att avslöja det mer oförutsägbara beteendet hos nanopartiklar, säger att det finns efterfrågan på mindre och mer effektiva nanopartiklar med nya önskvärda funktioner och egenskaper.

"Särskilt för biomedicinska och intracellulära applikationer som molekylära prober och sensorer. Här talar vi om bara några få nanometer i storlek där utmaningen med att bilda enhetliga nanopartiklar och kontrollera deras form, storlek och optiska egenskaper kräver ny kunskap om nanopartikelytkemi, till exempel, " hon säger.

Fortfarande, i ett fält som rör sig mycket snabbt verkar potentialen endast begränsas av vetenskaplig fantasi och, mer troligt, förmågan hos vetenskapliga och tekniska discipliner att integrera kunskap och färdigheter, säger författarna.

"Detta dokument är en stor undersökning och belyser behovet av en global ansträngning och resurser för den grundläggande forskning som behövs för att fortsätta tänja på gränserna för vad som är möjligt på nanoskala, så att samhället kan dra nytta av de många nya möjligheter, " säger professor Jin.

Professor Jin föreställer sig en värld där pincett i nanoskala används för att montera hybrid nanopartikelbaserade enheter och där biomedicinska signaturer kan användas för att svara på frågor kring en individs svar på läkemedelsterapier, allt från en droppe blod.

"Varje dag när människor tycker om att använda smartphones och pekskärmar för att skicka meddelanden, och högupplösta skärmar för att visa bilder och titta på videor, de kanske glömmer var denna teknik kommer ifrån.

"Dessa teknologier kan se ut som ingenjörsprojekt men egentligen är de resultatet av årtionden av forskning från forskare och studenter som arbetar "i mörkret" för att svara på grundläggande frågor om hur naturen fungerar i minsta skala, " han sa.