Когато учените обърнат физиката с главата надолу

Обичам моментите, когато учените решат проблем, като го погледнат от съвсем различен ъгъл. И работата от Университета в Торонто? Точно това се случи тук.

Екип от инженери създаде малки наночастици, които могат да открият химикали в невероятно ниски концентрации — и наистина имам предвид невероятно ниски. Става дума за намиране на игла в купа сено, само дето иглата е практически невидима, а купата сено е голяма колкото планина.

Как работят тези неща?

Тук става наистина интересно. Тези малки частици учените наричат "наночастици с преобразуване на честотата". Не се притеснявайте, ще ви го обясня просто.

обикновени багрила работят като "преобразуватели надолу". Те вземат светлина с висока енергия и я превръщат в светлина с по-ниска енергия. Представете си топка, която пада по стълбище — може само да се търкаля надолу, никога нагоре.

Но тези нови наночастици правят нещо необичайно. Те поглъщат светлина с ниска енергия (конкретно близкоинфрачервена светлина, същата като тази в малките лазерни показалки) и я превръщат в светлина с по-висока енергия — ярко зелена.

Това се нарича преобразуване нагоре, или upconversion, и то е ключът към тяхната специалност.

Сякаш изгасяш слънцето

Професор Кай Хуанг, който ръководи изследването, ми обясни нещата по начин, който всичко изясни:

"Представи си наблюдение на звезди. Звездите винаги са там, но през деня слонцето е толкова ярко, че не можеш да ги видиш. Не е, че звездите са станали по-слаби — те продължават да светят със същата сила — но слъцето ги затъмнява."

Същият проблем възниква, когато учените се опитват да открият минимални количества химикали с традиционни методи. Самата проба произвежда фонова светлина, която прикрива сигнала, който търсят.

"Но при преобразуването нагоре възбуждаме пробата с честота, различна от онази, която тя естествено произвежда", обяснява Хуанг. "Това е като да изгасиш слъцето, за да видиш най-накрая тези звезди."

Това означава, че сигналът от наночастиците буквално изпъква на тъмен фон. Край на цялата тази намеса.

Проблемът с шоколадовите блокчета

Ето къде истинското инженерно майсторство влезе в действие.

Тези наночастици работят с два специални химически елемента: итербий и ербий. Те са част от групата на лантанидите и имат невероятната способност да извършват този номер с преобразуването.

Но имаше един проблем. За да направиш сигнала по-ярък, трябва да натъпчеш повече итербий в частиците. Звучи просто, нали? Просто добави повече.

Освен ако не е хванатката: ако прекалено много атоми итербий са струпани заедно, те започват да поглъщат не само входящата енергия, но и енергията, която се опитва да излезе като този ярък зелен сигнал. Прилича на опит да крещиш през тълпа хора, които непрекъснато те заглушават.

Изследователите нарекоха това "обратно пренасяне на енергия", и то на практика убиваше техния сигнал.

Строителството на еднопосочна магистрала за светлина

Пробивът дойде, когато докторантът Дзязе Уу и екипът напълно преосмислиха структурата на частицата.

Вместо традиционната плоска, шестоъгълна форма, те създадоха 3D диамантени частици с множество слоеве — малко като ядрото на лук, но всеки слой има различна плътност на тези специални атоми.

"Създадохме градиент", обяснява Уу. "Концентрацията на итербий става по-плътна с преминаването през всеки слой, като ядрото е най-плътно."

Този дизайн по същество създава еднопосочна магистрала за енергия. Светлината влиза, подскача през слоевете като топче за пинбол, и се насочва към ербиевите атоми в центъра, които след това отделят онзи красив зелен блясък.

И ето къде идва хитростта: те използваха компютърно моделиране, за да проектират това, преди изобщо да го построят. Без безкрайни опити и грешки — знаеха точно какво искат да създадат.

Какво всъщност може да направи това?

Защо трябва да те интересуват модерни наночастици, които светят в зелено?

Помисли за фармацевтичното производство. Фармацевтичните компании полагат огромни усилия да гарантират, че лекарствата им не съдържат нежелани примеси. Дори минимални следи от погрешен химикал могат да бъдат вредни. С тези наночастици откриването на тези примеси става много, много по-лесно.

Или помисли за екологичните тестове. Искаш ли да намериш минимални количества замърсители в подпочвените води? Тези частици потенциално могат да забележат химикали, които биха били невидими за сегашните методи за откриване.

Най-добрата част? Инфрачервената светлина, използвана за тяхното активиране, е евтина и лесна за производство. Не е необходима сложна, скъпа апаратура.

Последни мисли

Не знам за теб, но аз намирам тези неща за абсолютно хипнотизиращи. Говорим за проектиране на материя в наномащаб, за да направи нещо, което изглежда почти магическо — улавяне на невидима светлина и трансформиране я в нещо, което можем да видим.

И фактът, че решиха проблема с обратното пренасяне на енергия, като помислиха за структурата, а не само за химията? Това е вид елегантно инженерство, което ме кара да се усмихвам.

Понякога най-добрите решения не са в намирането на нови материали — те са в подреждането на това, което вече имаме, по по-умни начини.

Изследването е публикувано в Journal of the American Chemical Society, и ще следя накъде ще тръгнат нещата. Ако тези наночастици могат да бъдат адаптирани за реални тестове, може би гледаме към наистина полезен инструмент за всички — от производители на лекарства до еколози.

Невидимото току-що стана малко по-лесно за виждане.

Източник: ScienceDaily