محققان نانوذره‌هايي را کشف کردند که مي توانند دريچه‌هاي تازه‌اي را به روي عکس‌برداري زيستي، ذخيره‌ي انرژي خورشيدي و تکنيک هاي امنيتي نوري باز کنند.
به تازگي نانوذره‌هايي کشف شده‌اند که مانند پياز لايه لايه هستند: يک پوشش رنگ آلي،يک پوسته‌ي حاوي نئوديميوم و يک هسته که متشکل از ايتربيوم و توليوم است. اين لايه‌ها در کنار هم باعث مي‌شوند که پرتوهاي نور مادون قرمز تابيده شده به نانوذره، تبديل به پرتوهايي با طول موج پر انرژي‌تر، مانند نور آبي يا فرابنفش شوند. اين فرآيند با بازدهي بالايي رخ مي‌دهد. قطر اين نانوذره ها حدود 50 نانومتر است. مي‌توان با استفاده از اين تکنولوژي، از نور فروسرخ براي فعال کردن نانوذره هاي ساطع کننده‌ي نور که در اعماق بدن هستند بهره برد و با استفاده از عکس‌برداري زيستي، تصاويري با کيفيت بالا از بدن انسان تهيه کرد.
از فناوري ذکر شده مي‌توان در حوزه‌ي امنيتي نيز بهره برد. اگر اين نانوذره‌ها در جوهر تزريق شوند، باعث مي‌شوند که جوهر نامرئي شود و فقط با تابش باريکه‌ي ليزر کم‌انرژي نور آبي ساطع کند. به کارگيري اين روش مي‌تواند تا حد زيادي از جعل اسکناس و اسناد جلوگيري کند.
گوانينگ چن (Guanying Chen)، استاد شيمي مؤسسه‌ي تکنولوژي هاربين و استاديار مرکز پژوهشي ILPB مي‌گويد: «ما با ايجاد لايه‌هاي ويژه‌اي که مي‌توانند امواج الکترومغناطيسي را با بازدهي بالا تغيير دهند و امواجي با انرژي بيشتر توليد کنند، توانسته‌ايم گام مهمي برداريم. اين ابداع مي‌تواند موانعي را که مدت‌هاست بر سر راه فناوري‌هاي مختلف است، از ميان بردارد. اين ذره‌ها در آينده‌اي نزديک امکانات چندگانه‌اي را در اختيار جامعه‌ي علمي مي‌گذارند.»
جوزانا داماسکو (Jossana Damasco)، دانشجوي دکتراي شيمي که نقش کليدي را در اين پروژه ايفا کرده مي‌گويد: «ذره‌اي که ما ساخته‌ايم صد برابر پربازده‌تر از نمونه‌هاي قبلي نانوذره‌هايي است که نور را به موج‌هايي با انرژي‌هاي بالاتر انتقال مي‌دادند. به همين دليل اين ذره در عمل مناسب‌تر است.»
انتقال امواج الکترومغناطيس از انرژي‌هاي کمتر به انرژي‌هاي بيشتر، کار آساني نيست. روند چنين انتقالي به اين صورت است که ابتدا بايد دو يا چند بسته‌ي نور که فوتون نام دارند از يک منبع با انرژي کم جذب شوند، سپس انرژي آن‌ها با هم ادغام شده و يک ذره با انرژي بالاتر توليد شود. ذره‌هاي پيازمانند اين کار را به خوبي انجام مي‌دهند.
سه لايه‌ي کليدي:
هريک از سه لايه‌ي اين نانوذره‌ها، عملکرد منحصر به فردي دارد. بيروني ترين لايه يک پوشش رنگي آلي است. اين رنگ مي‌تواند فوتون‌هاي کم‌انرژي مادون قرمز را از منبع نور به خوبي جذب کند. تيميش الچانسکي (Tymish Ohulchanskyy)، معاون مدير بخش پرتوپزشکي و استاديار و پژوهشگر مؤسسه‌ي ليزر، فوتونيک و بيوفوتونيک دانشگاه بوفالو مي‌گويد: «اين لايه براي ذره نقش آنتن را دارد که نور مادون قرمز را جذب مي‌کند و به درون ذره مي‌فرستد.»
لايه‌ي مياني يک پوسته‌ي حاوي نئوديميوم است. اين لايه مانند يک پل عمل مي‌کند و انرژي را از لايه‌ي رنگي به هسته‌ي ساطع کننده‌ي نور منتقل مي‌کند.
درون هسته‌ي ساطع کننده‌ي نور، يون‌هاي ايتربيوم و توليوم هماهنگ با هم عمل مي‌کنند. يون‌هاي ايتربيوم انرژي را به داخل هسته مي‌کشانند و آن را به يون‌هاي توليوم تحويل مي‌دهند. يون‌هاي توليوم اين قابليت را دارند که سه، چهار‌يا پنج فوتون را جذب کرده و سپس يک فوتون پرانرژي مانند فوتون نور آبي يا نور فرابنفش را ساطع کنند.
پلکاني براي انرژي:
آيا ما نمي‌توانيم براي انتقال انرژي فوتون‌ها فقط از هسته استفاده کنيم؟ چه لزومي دارد که لايه‌ي رنگي و لايه‌ي نئوديميومي را پيرامون هسته داشته باشيم؟
بر اساس توضيح‌هاي چن و الچانسکي، هسته به تنهايي کارآمدي لازم را در جذب فوتون‌ها از دنياي خارج ندارد. به همين دليل لايه‌ي رنگي در بيروني‌ترين بخش ذره قرار مي‌گيرد. پس از اينکه لايه‌ي رنگي اضافه شد، نياز به لايه‌اي متشکل از نئوديميوم که بتواند انرژي را از لايه‌ي رنگي به هسته منتقل کند احساس مي‌شود. الچانسکي براي درک بهتر ساختمان ذره، پلکان را مثال مي‌زند و توضيح مي‌دهد که هرگاه يون يا مولکولي فوتون جذب کند، به حالت برانگيخته در مي‌آيد که اين موضوع سبب مي‌شود بتواند انرژي خود را به يون‌ها يا مولکول‌هاي ديگر منتقل کند.
کارآمدترين انتقال انرژي ميان دو ذره هنگامي اتفاق مي‌افتد که مقدار انرژي افزوده شده به ذره‌ي برانگيخته دقيقاً برابر با مقدار انرژي مورد نياز ذره‌ي گيرنده باشد. اما رنگ و يون‌هاي ايتربيوم تفاوت فاحشي در سطح انرژي برانگيختگي دارند. به همين دليل گروه سازنده‌ي نانوذره‌ي مذکور، لايه‌اي از نئوديميوم را به ذره افزودند که سطح انرژي برانگيختگي‌اش مقداري ميان پوشش رنگي و توليوم است و مي‌تواند به عنوان يک مرحله‌ي مياني، پلکاني را ميان سطوح انرژي بکشد تا انرژي به هسته برسد.
نئوديميوم که در لايه‌ي مياني نانوذره استفاده مي‌شود، يک عنصر شيميايي با عدد اتمي 60 و نماد شيميايي Nd است. اين فلز نرم سطحي نقره‌فام دارد و در مجاورت هوا اکسيد مي‌شود. اين عنصر در سال 1855 توسط شيميدان اتريشي کارل ولزباخ (Carl Auer von Welsbach) کشف شد.
عنصر ايتربيوم که در هسته‌ي نانوذره به کار رفته، يکي از عناصر گروه لانتانيدها با عدد اتمي 70 و نماد شيميايي Yb است. توليوم نيز يکي از عناصر گروه لانتانيدهاست که عدد اتمي آن 69 است و با نماد Tm نمايش داده مي‌شود. لانتانيدها فلزهايي براق و بسيار واکنش‌پذير هستند.
اين پژوهش‌ها با همکاري و مشارکت علمي مؤسسه‌ي ليزر، فوتونيک و بيوفوتونيک دانشگاه بوفالو، مؤسسه‌ي تکنولوژي هاربين در کشور چين، مؤسسه‌ي پژوهشي سلطنتي در کشور سوئيس، دانشگاه ايالت تومسک در کشور روسيه و دانشکده‌ي پزشکي دانشگاه ماساچوست امريکا به نتيجه رسيده‌اند و نتايج آن در روز 21 اکتبر در ژورنال Nano Letters منتشر شده‌است. منابع مالي اين پروژه از طرف اداره‌ي پژوهش‌هاي علمي نيروي هوايي، صندوق ملي علوم براي دانش پژوهان برجسته، پروژه‌ي همکاري‌هاي بين المللي در وزارت علوم و فناوري چين، مؤسسه‌ي تکنولوژي هاربين و صندوق پژوهش‌هاي بنيادين دانشگاه مرکزي چين تأمين شده است.
منبع:
UB news
Futurity
Science world Report
منابع مفيد:
۱۰ ايده برتر آينده
بازخواني ارتعاشات نانومقياس
نقاط کوانتمي چيست؟
نانوتکنولوژي-۱
نانوتکنولوژي-۲
نانوتکنولوژي-۳
نانوتکنولوژي و درمان سرطان
نانوتکنولوژي-دانشنامه
لانتانيدها
انقباض لانتانيدي
ابداع روشي جديد براي توليد نانوذرات فلزي
طيف الکترومغناطيس
آزمايش فرانک-هرتز
پرتو گاما
نقاط و سلول‌هاي کوانتمي
نقاط کوانتمي و اتلاف انرژي
نور: موجي يا ذره‌اي؟
Nano Letters
Kurzweil
Open Nanofabrication
Lanthanides
Neodemyium
Thorium
طيف الکترومغناطيس-ويکيپديا