Når forskere tenker helt annerledes

Jeg elsker det når forskere løser et problem ved å tenke på en helt ny måte. Og arbeidet som kommer fra University of Toronto? Det er akkurat det dette er.

En gruppe ingeniører har utviklet bitte små nanopartikler som kan oppdage kjemikalier ved ekstremt lave konsentrasjoner — og jeg mener ekstremt lave. Vi snakker om å finne en nål i en høystakk, bare at nåla er usynlig og høystakken er på størrelse med et fjell.

Hvordan fungerer de?

Her blir det spennende. Disse små partiklene kaller forskerne «fargestoff-sensibiliserte oppkonverterings-nanopartikler.» Slapp av, jeg forklarer.

Vanlige fargestoffer fungerer litt som nedkonverterere. De tar høyenergisk lys og gjør det om til lavere energi. Tenk på det som å slippe en ball fra toppen av en trapp — den kan bare rulle ned, aldri opp.

Men disse nye nanopartiklene gjør noe uvanlig. De absorberer lavenergisk lys (spesifikt nær-infrarødt lys, som er samme typen som i de små laserpekerne) og gjør det om til høyere energi — nemlig sterkt grønt lys.

Dette kalles oppkonvertering, og det er nøkkelen til hvorfor disse partiklene er så spesielle.

Som å slå av sola

Professor Kai Huang, som ledet forskningen, forklarte det på en måte som fikk alt til å klikke:

«Tenk deg stjernetitting. Stjernene er alltid der, men om dagen er sola så sterk at du ikke kan se dem. Det er ikke fordi stjernene er blitt svakere — de skinner like sterkt — men sola drukner dem ut.»

Samme problemet oppstår når forskere prøver å oppdage tiny mengder kjemikalier med tradisjonelle metoder. Prøven selv produserer bakgrunnslys som maskerer signalet de leter etter.

«Men med oppkonvertering aktiverer du prøven med en annen frekvens enn den prøven naturlig produserer,» forklarer Huang. «Det er som å slå av sola så du endelig kan se stjernene.»

Det betyr at signalet fra nanopartiklene lyser opp mot en mørk bakgrunn. Ingen mer squinting gjennom alt det bråket.

Sjokoladebiter i en kjeks

Okei, her skjedde den virkelige ingeniørkunsten.

Disse nanopartiklene fungerer ved å bruke to spesielle grunnstoffer: ytterbium og erbium. De hører til en gruppe som heter lanthanider, og de har en utrolig evne til å få til oppkonverteringstrikset.

Men det var et problem. For å gjøre signalet sterkere, må du pakke mer ytterbium inn i partiklene. Høres enkelt ut, ikke sant? Bare legg til mer.

Bortsett fra her er haken: hvis du klemmer for mange ytterbium-atomer sammen, begynner de å absorbere ikke bare den innkommende energien, men også energien som prøver å slippe ut som det sterke grønne signalet. Det er som å prøve å rope gjennom en folkemengde som stadig ber deg tie stille.

Forskerne kalte dette «tilbake-energioverføring,» og det drepte praktisk talt signalet deres.

Bygge en ensretning for lys

Gjennombruddet kom da doktorgradsstudent Jiaze Wu og teamet fullstendig omtenkte partikkelens struktur.

I stedet for den tradisjonelle flate, sekskantede fasongen, laget de tredimensjonale diamantsformede partikler med flere lag — litt som kjernen i en løk, men hvert lag har en annen tetthet av disse spesielle atomene.

«Vi laget en gradient,» forklarer Wu. «Ytterbium-konsentrasjonen blir tettere for hvert lag, med kjernen som det tetteste.»

Dette designet skaper i bunn og grunn en ensrettet motorvei for energi. Lys kommer inn, spretter gjennom lagene som en flipperkule, og ledes mot erbium-atomene i sentrum, som så slipper ut den vakre grønne gløden.

Og her er den smarte delen: de brukte datamodellering til å designe dette før de noen gang bygde det. Ingen endeløs prøving og feiling — de visste nøyaktig hva de ville lage.

Hva kan dette faktisk brukes til?

Så hvorfor bør du bry deg om fancy nanopartikler som lyser grønt?

Tenk på legemiddelproduksjon. Legemiddelselskaper bruker enorme ressurser på å forsikre seg om at medisinene deres ikke inneholder uønskede urenheter. Selv tiny spor av feil kjemikalie kan være skadelig. Med disse nanopartiklene blir det mye, mye enklere å oppdage slike urenheter.

Eller tenk på miljøtesting. Vil du finne spormengder av forurensning i grunnvannet? Disse partiklene kan potensielt oppdage kjemikalier som ville vært usynlige for dagens deteksjonsmetoder.

Det beste? Infrarødt lys som brukes til å aktivere dem er billig og enkelt å produsere. Ingen fancy, dyrt utstyr nødvendig.

Avsluttende tanker

Jeg vet ikke med deg, men jeg synes dette er helt fascinerende. Vi snakker om å designe materie på nanoskala for å gjøre noe som virker nesten magisk — å fange usynlig lys og transformere det til noe vi kan se.

Og det faktum at de løste tilbake-energioverførings-problemet ved å tenke på struktur heller enn bare kjemi? Det er den typen elegant ingeniørarbeid som får meg til å smile.

Noen ganger er de beste løsningene ikke å finne nye materialer — det er å organisere det vi allerede har på smartere måter.

Forskningen ble publisert i Journal of the American Chemical Society, og jeg kommer til å følge med på hvor dette går. Hvis disse nanopartiklene kan tilpasses for virkelighetstesting, kan vi snakke om et genuint nyttig verktøy for alle fra legemiddelprodusenter til miljøforskere.

Det usynlige ble nettopp litt lettere å se.

Kilde: ScienceDaily