Uma imagem de microscopia eletrônica de varredura (esquerda) de um grânulo de poliestireno de 5 mícrons de diâmetro que é revestido com nanopartículas, e uma imagem de micrografia eletrônica de transmissão (direita) que mostra uma seção transversal de um grânulo, com nanopartículas ao longo de sua superfície externa. A barra de escala à esquerda é de 1 mícron, e a barra de escala à direita é de 20 nanômetros. Crédito:Angel Fernandez-Bravo / Berkeley Lab
Os pesquisadores descobriram uma maneira de converter contas microscópicas revestidas de nanopartículas em lasers menores do que os glóbulos vermelhos.
Esses microlasers, que convertem luz infravermelha em luz em frequências mais altas, estão entre os menores lasers de emissão contínua de seu tipo já relatados e podem emitir luz de forma constante e estável por horas a fio, mesmo quando submerso em fluidos biológicos, como soro sanguíneo.
A inovação, descoberto por uma equipe internacional de cientistas do Laboratório Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab), abre a possibilidade de geração de imagens ou controle da atividade biológica com luz infravermelha, e para a fabricação de chips de computador baseados em luz. Suas descobertas são detalhadas em um relatório publicado online em 18 de junho em Nature Nanotechnology .
As propriedades únicas desses lasers, que medem 5 mícrons (milionésimos de metro) de diâmetro, foram descobertos por acidente enquanto os pesquisadores estudavam o potencial dos grânulos de polímero (plástico), composto de uma substância translúcida conhecida como colóide, para ser usado em imagens cerebrais.
Angel Fernandez-Bravo, um pesquisador de pós-doutorado na Fundição Molecular do Berkeley Lab, quem foi o autor principal do estudo, misturou os grânulos com nanopartículas de fluoreto de ítrio de sódio "dopadas, "ou incorporado, com túlio, um elemento pertencente a um grupo de metais conhecido como lantanídeos. A Molecular Foundry é um centro de pesquisa em nanociências aberto a pesquisadores de todo o mundo.
Emory Chan, um cientista da equipe da Fundição Molecular, tinha em 2016 usado modelos computacionais para prever que nanopartículas dopadas com túlio expostas à luz do laser infravermelho em uma frequência específica poderiam emitir luz em uma frequência mais alta do que esta luz infravermelha em um processo contra-intuitivo conhecido como "conversão ascendente".
Também naquela época, Elizabeth Levy, em seguida, um participante do programa Lab's Summer Undergraduate Laboratory Internship (SULI), notaram que grânulos revestidos com essas "nanopartículas de conversão ascendente" emitiram luz brilhante inesperadamente em comprimentos de onda muito específicos, ou cores.
Uma imagem de campo amplo que mostra a luz emitida por microlasers em uma matriz 2D automontada. Crédito:Angel Fernandez-Bravo
"Esses picos eram claramente periódicos e claramente reproduzíveis, "disse Emory Chan, que co-liderou o estudo junto com os cientistas da equipe de fundição Jim Schuck (agora na Universidade de Columbia) e Bruce Cohen.
Os picos periódicos que Chan e Levy observaram são um análogo baseado na luz da chamada acústica de "galeria de sussurros" que pode fazer as ondas sonoras ricochetearem ao longo das paredes de uma sala circular de modo que até mesmo um sussurro possa ser ouvido no lado oposto do quarto. Este efeito de galeria sussurrante foi observado na cúpula da Catedral de São Paulo em Londres no final de 1800, por exemplo.
No último estudo, Fernandez-Bravo e Schuck descobriram que, quando um laser infravermelho excita as nanopartículas dopadas com túlio ao longo da superfície externa dos grânulos, a luz emitida pelas nanopartículas pode ricochetear na superfície interna da conta, assim como sussurros saltando ao longo das paredes da catedral.
A luz pode fazer milhares de viagens ao redor da circunferência da microesfera em uma fração de segundo, fazendo com que algumas frequências de luz interajam (ou "interfiram") com elas mesmas para produzir uma luz mais brilhante, enquanto outras frequências se cancelam. Este processo explica os picos incomuns que Chan e Levy observaram.
Quando a intensidade da luz viajando em torno dessas contas atinge um certo limite, a luz pode estimular a emissão de mais luz com exatamente a mesma cor, e aquela luz, por sua vez, pode estimular ainda mais luz. Esta amplificação da luz, a base para todos os lasers, produz luz intensa em uma faixa muito estreita de comprimentos de onda nas contas.
Schuck havia considerado nanopartículas dopadas com lantanídeos como potenciais candidatos para microlasers, e ele se convenceu disso quando Chan compartilhou com ele os dados periódicos da galeria de sussurros.
Fernandez-Bravo descobriu que quando expôs as contas a um laser infravermelho com potência suficiente, as contas se transformaram em lasers de conversão ascendente, com frequências mais altas do que o laser original.
À esquerda, uma pequena conta atingida por um laser (no ponto amarelado mostrado no topo da imagem) produz modos óticos que circulam em torno do interior da conta (anel rosado). À direita, uma simulação de como o campo óptico dentro de um grânulo de 5 mícrons (5 milionésimos de metro) é distribuído. Crédito:Angel Fernandez-Bravo / Berkeley Lab, Kaiyuan Yao
Ele também descobriu que os grânulos podem produzir luz laser com as potências mais baixas já registradas para upconverting lasers baseados em nanopartículas.
"Os limites baixos permitem que esses lasers operem continuamente por horas com potências muito mais baixas do que os lasers anteriores, "disse Fernandez-Bravo.
Outros lasers de nanopartículas de conversão ascendente operam apenas intermitentemente; eles são expostos apenas a curtos, poderosos pulsos de luz porque uma exposição mais longa os danificaria.
"A maioria dos lasers baseados em nanopartículas aquece muito rapidamente e morre em minutos, "Schuck disse." Nossos lasers estão sempre ligados, o que nos permite ajustar seus sinais para diferentes aplicações. "Neste caso, os pesquisadores descobriram que seus microlasers tiveram um desempenho estável após cinco horas de uso contínuo. "Podemos tirar as contas da prateleira meses ou anos depois, e eles ainda perdem, "Fernandez-Bravo disse.
Os pesquisadores também estão explorando como ajustar cuidadosamente a saída de luz dos microlasers de emissão contínua, simplesmente alterando o tamanho e a composição das contas. E eles usaram um sistema robótico na Molecular Foundry conhecido como WANDA (Workstation for Automated Nanomaterial Discovery and Analysis) para combinar diferentes elementos dopantes e ajustar o desempenho das nanopartículas.
Os pesquisadores também observaram que existem muitas aplicações potenciais para os microlasers, como no controle da atividade de neurônios ou microchips ópticos, detecção de produtos químicos, e detecção de mudanças ambientais e de temperatura.
"No início, esses microlasers funcionavam apenas no ar, o que foi frustrante porque queríamos introduzi-los em sistemas vivos, "Cohen disse." Mas nós encontramos um truque simples de mergulhá-los no soro do sangue, que reveste os grânulos com proteínas que permitem que eles se dissolvam em água. Agora vimos que essas contas podem ser capturadas junto com células em feixes de laser e dirigidas com os mesmos lasers que usamos para excitá-las. "
O último estudo, e os novos caminhos de estudo que abriu, mostra o quão fortuito um resultado inesperado pode ser, ele disse. "Acontece que tínhamos as nanopartículas e o processo de revestimento certos para produzir esses lasers, "Schuck disse.
