Quando nanobastões semicondutores são expostos à luz, eles piscam em um padrão aparentemente aleatório. Ao agrupar os nanobastões, físicos da Universidade da Pensilvânia mostraram que seu tempo "ligado" combinado é aumentado dramaticamente, fornecendo uma nova visão sobre esse misterioso comportamento de piscar.
A pesquisa foi conduzida pelo grupo da professora associada Marija Drndic, incluindo o estudante de graduação Siying Wang e os bolsistas de pós-doutorado Claudia Querner e Tali Dadosh, todos do Departamento de Física e Astronomia da Escola de Artes e Ciências da Penn. Eles colaboraram com Catherine Crouch do Swarthmore College e Dmitry Novikov da Escola de Medicina da Universidade de Nova York.
Sua pesquisa foi publicada na revista Nature Communications .
Quando fornecido com energia, seja na forma de luz, eletricidade ou certos produtos químicos, muitos semicondutores emitem luz. Este princípio está em ação em diodos emissores de luz, ou LEDs, que são encontrados em qualquer número de produtos eletrônicos de consumo.
Na escala macro, esta eletroluminescência é consistente; Lâmpadas LED, por exemplo, pode brilhar por anos com uma fração da energia usada mesmo por lâmpadas fluorescentes compactas. Mas quando os semicondutores são reduzidos ao tamanho nanométrico, em vez de brilhar constantemente, eles ligam e desligam de uma forma imprevisível, alternar entre emitir luz e ser escuro por períodos de tempo variáveis. Durante a década desde que isso foi observado, muitos grupos de pesquisa em todo o mundo têm procurado descobrir o mecanismo desse fenômeno, que ainda não está completamente compreendido.
"O piscar foi estudado em muitos materiais em nanoescala diferentes por mais de uma década, pois é surpreendente e intrigante, mas são as estatísticas do piscar que são tão incomuns, "Drndic disse." Esses nanobastões podem estar 'ligados' e 'desligados' em todas as escalas de tempo, de um microssegundo a horas. É por isso que trabalhamos com Dmitry Novikov, que estuda fenômenos estocásticos em sistemas físicos e biológicos. Essas estatísticas incomuns de Levi surgem quando muitos fatores competem entre si em diferentes escalas de tempo, resultando em um comportamento bastante complexo, com exemplos que vão de terremotos a processos biológicos e flutuações do mercado de ações. "
Drndic e sua equipe de pesquisa, por meio de uma combinação de técnicas de imagem, mostraram que o agrupamento desses semicondutores nanobastões aumenta muito seu tempo "ligado" total em uma espécie de "efeito de fogueira". Adicionar uma haste ao cluster tem um efeito multiplicador no período "ligado" do grupo.
"Se você colocar nanobastões juntos, se cada um piscar em raras rajadas curtas, você pensaria que o tempo máximo de ativação para o grupo não será muito maior do que para um nanorod, uma vez que suas rajadas não se sobrepõem, "Novikov disse." O que vemos são rajadas 'on' muito prolongadas quando os nanobastões estão muito próximos uns dos outros, como se eles se ajudassem a continuar brilhando, ou 'queimando'. "
O grupo de Drndic demonstrou isso depositando nanobastões de seleneto de cádmio em um substrato, brilhando um laser azul sobre eles, em seguida, fazer um vídeo em um microscópio óptico para observar a luz vermelha que os nanobastões então emitiram. Embora essa técnica fornecesse dados sobre quanto tempo cada cluster estava "ligado, "a equipe precisava usar microscopia eletrônica de transmissão, ou TEM, para distinguir cada indivíduo, Haste de 5 nanômetros e meça o tamanho de cada cluster.
Um conjunto de linhas de grade douradas permitiu aos pesquisadores rotular e localizar grupos de nanorods individuais. Wang então sobrepôs com precisão cerca de mil imagens TEM costuradas com os dados de luminescência que ela tirou com o microscópio óptico. Os pesquisadores observaram o "efeito da fogueira" em aglomerados tão pequenos quanto dois e tão grandes quanto 110, quando o cluster efetivamente assumiu propriedades de macroescala e parou de piscar completamente.
Embora o mecanismo exato que causa essa luminescência prolongada ainda não possa ser identificado, As descobertas da equipe de Drndic apóiam a ideia de que as interações entre os elétrons no cluster estão na raiz do efeito.
"Movendo-se de uma extremidade de um nanobastão para a outra, ou de outra forma mudando de posição, hipotetizamos que os elétrons em uma haste podem influenciar aqueles em hastes vizinhas de maneiras que aumentam a capacidade das outras hastes de emitir luz, "Crouch disse." Esperamos que nossas descobertas forneçam uma visão sobre essas interações em nanoescala, além de ajudar a orientar trabalhos futuros para entender o piscar em nanopartículas individuais. "
Como os nanobastões podem ser uma ordem de magnitude menor do que uma célula, mas pode emitir um sinal que pode ser visto com relativa facilidade ao microscópio, há muito que são considerados biomarcadores potenciais. Seu padrão inconsistente de iluminação, Contudo, limitou sua utilidade.
"Os biólogos usam nanocristais semicondutores como rótulos fluorescentes. Uma desvantagem significativa é que eles piscam, "Drndic disse." Se o tempo de emissão pudesse ser estendido para muitos minutos, isso os tornaria muito mais utilizáveis. Com o desenvolvimento da síntese, talvez os clusters possam ser projetados como rótulos aprimorados. "
Pesquisas futuras usarão conjuntos de nanobastões mais ordenados e separações interpartículas controladas para estudar mais os detalhes das interações das partículas.
