Jak najít jehlu v koupence — a ještě ji rozsvítit zeleně

Někdy vědci vyřeší problém tak, že na něj úplně změní pohled. A právě to se povedlo týmu na Univerzitě v Torontu.

Inženýři vyvinuli miniaturní částice, které dokážou detekovat chemikálie v naprosto neuvěřitelně nízkých koncentracích. A když říkám neuvěřitelně, myslím tím opravdu neuvěřitelně. Představte si, že hledáte jehlu v kupce sena — jen ta jehla je prakticky neviditelná a kupka sena má velikost hory.

Jak to funguje?

Tady to začíná být zajímavé. Tyto částečky se odborně nazývají "upkonverzní nanočástice sensibilizované barvivem." Ale nemusíte se toho bát, vysvětlím to.

Běžná barviva fungují jako takové "downkonvertory". Vezmou světlo s vysokou energií a přemění ho na světlo s nižší energií. Představte si to jako kdybyste pustili míč ze schodů — může jen kutálet dolů, nikdy nahoru.

Ale tyto nové nanočástice dělají něco neobvyklého. Pohlcují nízkoenergetické světlo (konkrétně blízké infračervené záření, takové, jaké mají ty malé laserové ukazovátka) a přeměňují ho na světlo s vyšší energií — konkrétně na zářivě zelené.

Tomu se říká upkonverze, a právě tady je kámen úrazu — tedy vlastně kámen úspěchu.

Jako když zhasnete slunce

Profesor Kai Huang, který výzkum vedl, mi to vysvětlil způsobem, který všechno objasnil:

"Představte si pozorování hvězd. Hvězdy tam vždycky jsou, ale přes den je slunce tak jasné, že je prostě nevidíte. Není to tím, že by ztlumily světlo — svítí úplně stejně — ale slunce je prostě přezáří."

Stejný problém mají vědci, když se snaží detekovat nepatrná množství chemikálií tradičními metodami. Vzorek sám produkuje pozadí, které maskování signál, který hledají.

"Ale s upkonverzí excitujete vzorek jinou frekvencí, než jakou vzorek přirozeně produkuje," vysvětluje Huang. "Je to jako kdybyste zhasli slunce a konečně uviděli ty hvězdy."

Signál z nanočástic tak doslova vystoupí proti tmavému pozadí. Žádné další squintění přes všechen ten hluk.

Problém čokoládových sušenek

Tady přichází ta opravdová konstruktérská magie.

Tyto nanočástice fungují díky dvěma speciálním chemickým prvkům: ytterbiu a erbiu. Patří do skupiny lanthanoidů a mají úžasnou schopnost provádět ten upkonverzní trik.

Ale tady byl háček. Aby signál byl jasnější, potřebujete do částic nacpat víc ytterbia. Zní to jednoduše, že? Stačí přidat.

Problém je, že když namačkáte příliš mnoho atomů ytterbia pohromadě, začnou pohlcovat nejen příchozí energii, ale taky energii, která se snaží uniknout jako ten jasný zelený signál. Je to jako kdybyste se snažili křičet přes dav lidí, kteří vás neustále žádají, abyste byli zticha.

Vědci tomu říkají "zpětný přenos energie" a tenhle jev prakticky zabíjel jejich signál.

Stavba jednosměrky pro světlo

Průlom přišel, když postgraduální student Jiaze Wu a tým úplně přemýšleli o struktuře částice.

Místo tradičního plochého, hexagonálního tvaru vytvořili 3D částice ve tvaru diamantu s více vrstvami — trochu jako jádro cibule, ale každá vrstva má jinou hustotu těch speciálních atomů.

"Vytvořili jsme gradient," vysvětluje Wu. "Koncentrace ytterbia se zvyšuje, jak procházíte jednotlivými vrstvami, přičemž jádro je nejhuštější."

Tento design v podstatě vytváří jednosměrnou dálnici pro energii. Světlo přijde, odráží se ve vrstvách jako kulička v pinballu a je směrováno k atomům erbia uprostřed, které pak uvolní ten krásný zelený záblesk.

A tady přichází ta chytrá část: Navrhli to pomocí počítačového modelování, ještě před tím, než něco vůbec postavili. Žádné nekonečné pokusy a omyly — věděli přesně, co chtějí vytvořit.

Co se s tím dá dělat?

Tak proč by vás měly zajímat nějaké vychytané nanočástice, které svítí zeleně?

Zamyslete se nad farmaceutickou výrobou. Farmaceutické společnosti vynakládají obrovské úsilí na to, aby jejich léky neobsahovaly nežádoucí nečistoty. I nepatrné stopy špatné chemikálie můžou být škodlivé. S těmito nanočásticemi by detekce těchto nečistot byla mnohem, mnohem jednodušší.

Nebo vemte v úvahu testování životního prostředí. Chcete najít stopy znečišťujících látek v podzemní vodě? Tyto částice by mohly potenciálně odhalit chemikálie, které jsou pro současné detekční metody neviditelné.

A ta nejlepší část? Infračervené světlo používané k jejich aktivaci je levné a snadno dostupné. Žádné drahé a složité vybavení.

Závěrem

Nevím jak vy, ale já tohle považuju za naprosto fascinující. Mluvíme tady o návrhu hmoty na nanoskopické úrovni tak, aby dělala něco, co vypadá skoro jako kouzlo — zachycování neviditelného světla a přeměna ho v něco, co můžeme vidět.

A fakt, že vyřešili problém zpětného přenosu energie přemýšlením o struktuře místo jen o chemii? To je ten druh elegantního inženýrství, který mě nutí k úsměvu.

Někdy ty nejlepší řešení nespočívají v hledání nových materiálů — ale v chytřejším uspořádání toho, co už máme.

Výzkum byl publikován v časopise Journal of the American Chemical Society a budu bedlivě sledovat, kam to povede. Pokud se tyto nanočástice dají přizpůsobit pro reálné testování, možná se dívejme na skutečně užitečný nástroj pro všechny od výrobců léků po environmentální vědce.

Neviditelné právě trochu snadněji uvidíme.

Zdroj: ScienceDaily