Wetenschappers hebben een slimme truc bedacht om onzichtbare stoffen op te sporen

Er gaat niets boven wetenschappers die een probleem oplossen door er totaal anders over na te denken. En het werk van de University of Toronto? Dat is precies zo'n geval.

Een team van technisch ingenieurs heeft minuscuul kleine deeltjes ontwikkeld die chemische stoffen kunnen opsporen in concentraties die je je nauwelijks kunt voorstellen. Echt extreem laag. Het is alsof je een naald zoekt in een hooiberg, maar dan een hooiberg zo groot als een berg.

Hoe werken die dingen?

Hier wordt het interessant. Wetenschappers noemen ze "kleurstof-gesensibiliseerde upconversie nanodeeltjes." Laat je niet afschrikken door de naam, ik leg het zo uit.

Normale kleurstoffen werken eigenlijk als "downconverters." Ze pakken hoog-energetisch licht en zetten het om in lager-energetisch licht. Stel je voor dat je een bal van de trap gooit: hij kan alleen naar beneden rollen, nooit naar boven.

Maar deze nieuwe deeltjes doen iets bijzonders. Ze absorberen laag-energetisch licht (specifiek nabij-infrarood licht, hetzelfde spul als in die kleine laserpointers) en zetten het om in hoger-energetisch licht — namelijk helder groen.

Dit heet upconversie, en dát is de sleutel tot hun bijzondere eigenschappen.

Alsof je de zon uitzet

Professor Kai Huang, die het onderzoek leidde, legde het me zo uit dat alles plotseling duidelijk werd:

"Stel je voor dat je naar de sterren kijkt. De sterren zijn er altijd, maar overdag is de zon zo fel dat je ze niet kunt zien. Het is niet dat de sterren zwakker zijn geworden — ze schijnen net zo fel — maar de zon overstemt ze."

Hetzelfde probleem doen zich voor wanneer wetenschappers proberen minuscule hoeveelheden chemicaliën op te sporen met traditionele methodes. Het monster zelf produceert achtergrondlicht dat het signaal dat ze zoeken maskeren.

"Maar met upconversie prikkel je het monster met een andere frequentie dan wat het monster van nature produceert," legt Huang uit. "Het is alsof je de zon uitzet zodat je eindelijk die sterren kunt zien."

Dit betekent dat het signaal van de nanodeeltjes基本上 tegen een donkere achtergrond uitkomt. Geen gestooi meer met al die interferentie.

Het Chocoladekoekjesprobleem

Oké, hier komt de echte technische tovenarij om de hoek kijken.

Deze nanodeeltjes werken door twee speciale chemische elementen te gebruiken: ytterbium en erbium. Ze behoren tot een groep die lanthaniden heet, en ze hebben een verbazingwekkend vermogen om de upconversietruc uit te voeren.

Maar er was een probleem. Om het signaal helderder te maken, moet je meer ytterbium in de deeltjes stoppen. Klinkt simpel, toch? Gewoon meer toevoegen.

Behalve... hier zit de adder onder het gras: als je te veel ytterbium-atomen bij elkaar propt, gaan ze niet alleen de binnenkomende energie absorberen, maar ook de energie die probeert te ontsnappen als dat felle groene signaal. Het is alsof je probeert te schreeuwen in een menigte die je voortdurend tot stilte maant.

De onderzoekers noemden dit "terug-energie-overdracht," en het doodde基本上 hun signaal.

Een eenrichtingsweg voor licht bouwen

De doorbraak kwam toen promovendus Jiaze Wu en het team de structuur van het deeltje totaal opnieuw bedachten.

In plaats van de traditionele platte, zeshoekige vorm creëerden ze 3D ruitvormige deeltjes met meerdere lagen — een beetje zoals de kern van een ui, maar elke laag heeft een andere dichtheid van die speciale atomen.

"We hebben een gradiënt gecreëerd," legt Wu uit. "De ytterbium-concentratie wordt dichter naarmate je door elke laag beweegt, met de kern als meest dichte."

Dit ontwerp creëert essentially een snelweg voor energie met maar één rijrichting. Licht komt binnen, stuitert door de lagen als een flipperkast, en wordt naar de erbium-atomen in het midden geleid, die dan die prachtige groene gloed afgeven.

En hier komt het slimme gedeelte: ze gebruikten computermodellering om dit te ontwerpen vóór ze het ooit bouwden. Geen eindeloos trial-and-error — ze wisten precies wat ze wilden maken.

Wat kan dit eigenlijk doen?

Dus waarom zou je je druk maken over fancy nanodeeltjes die groen oplichten?

Denk aan farmaceutische productie. Medicijnfabrikanten besteden enorm veel moeite aan het controleren of hun medicijnen geen ongewenste verontreinigingen bevatten. Zelfs minuscuul kleine restjes van de verkeerde chemische stof kunnen schadelijk zijn. Met deze nanodeeltjes wordt het opsporen van die verontreinigingen een stuk eenvoudiger.

Of denk aan milieutests. Wil je sporen van verontreinigingen in grondwater vinden? Deze deeltjes zouden chemische stoffen kunnen opsporen die met huidige detectiemethodes onzichtbaar blijven.

Het mooiste? Het infrarode licht dat nodig is om ze te activeren is goedkoop en makkelijk te produceren. Geen ingewikkelde, dure apparatuur nodig.

Afsluitende gedachten

Ik weet niet hoe het met jou zit, maar ik vind dit absoluut fascinerend. We hebben het over het ontwerpen van materie op nanoschaal om iets te doen dat bijna magisch lijkt — onzichtbaar licht vangen en omzetten in iets dat we kunnen zien.

En het feit dat ze het probleem van terug-energie-overdracht oplosten door na te denken over structuur in plaats van alleen chemie? Dat is het soort elegante techniek waar ik vrolijk van word.

Soms zijn de beste oplossingen niet het vinden van nieuwe materialen — het gaat om het slimmer schikken van wat we al hebben.

Het onderzoek werd gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society, en ik houd de ontwikkelingen in de gaten. Als deze nanodeeltjes kunnen worden aangepast voor praktijktests, hebben we mogelijk te maken met een echt bruikbaar instrument voor iedereen, van medicijnfabrikanten tot milieudeskundigen.

Het onzichtbare is net een beetje makkelijker te zien geworden.

Bron: ScienceDaily