ذراتی به اندازه ویروس‌ها که در هر رنگی فلورسان می‌شوند، می‌توانند در کاربردهای مختلفی از نمایشگرهای تلویزیون تا درمان سرطان، انقلاب ایجاد کنند.
با هم می‌توانیم بدرخشیم
یک راه‌حل اساسی‌تر در سال 2001 پیشتاز بود، زمانی که (پن ژنگ تنگ) Ben Zhong Tang در دانشگاه علم و فناوری هنگ کنگ (Hong Kong University of Science and Technology) درخلیج کلیر واتر (Clear Water Bay) دریافت که یک دسته از مولکول‌های ارگانیک کوچک تنها زمانی فلورسان می‌شوند که با یکدیگر متراکم شده باشند. این مولکول‌ها مانند ملخ هواپیما یا چرخ‌دنده هستند، و زمانی که جمع شوند فلورسان می‌شوند به این دلیل که در این صورت آنها دیگر نمی‌توانند حرکت کنند و یا انرژی تلف کنند. به جای این، آنها انرژی خود را به صورت نور آزاد می‌کنند، پدیدهای که تنگ آن را گسیل انبوهش-القایی (aggregation-induced emission, AIE) نامید. او مولکول‌ها را AIE-gens نامید.
در طی سال‌های بعد، تنگ و دانشجویانش جهت گروه‌ها را عوض کردند و عنصرهایی مانند نیتروژن یا اکسیژن را معرفی کردند، و AIE-gens اکنون می‌توانند در تمامی طیف رنگها از فرابنفش تا نزدیک مادون قرمز تابش کنند. تنگ می‌گوید، «دانشجویان من خیلی سریع کارهای بسیاری کردند». اکنون ما می‌توانیم طبق میل خودمان رنگها را تغییر دهیم.
در 2011، تنگ، لیو را در یک همکاری در مؤسسه‌ی تحقیقات مواد و مهندسی در سنگاپور (Institute of Materials Research and Engineering in Singapore) که بخشی ازپشتوانه‌ی دولت برای علم، فناوری و تحقیق (A*STAR) است، دیدار کرد. در آن زمان، AIE-gens کارایی خوبی داشتند، به جر اینکه نمی‌توانستند در آب حل شوند، که استفاده‌ی آنها را در کاربردهای آنها را در زیست‌شناسی مشکل می‌کرد. لیو یک حرفه‌ای در تبدیل کردن مواد به حلال در آب بود، بنابراین، تنگ تعدادی از بهترین AIE-gens را داد که روی آنها کار کند.
لیو این مشکل را با آزمایش با پلیمرهایی که روغن‌دوست هستند در یک طرف و آنهایی که آب‌دوست هستند در سمت دیگر، حل کرد. AIE-gens در سمت انتهای پلیمرهای روغن‌دوست جمع می‌شوند و سمت‌های انتهایی آب‌دوست به طرف بیرون می‌روند تا یک پوسته محافظ را ایجاد کنند، که به یک پوشش محلول در آب با یک هسته چگال پر از AIE-gens می‌شود. لیو یک پوسته‌ٔ محافظ برای نانوذرات حاصله، که AIE-gens نامیده شد، طراحی کرد، طوری که این پوسته می‌توانست با گروه‌های شیمیایی مختلف که به کاربردهای مختلفی مربوط می‌شوند، آراسته شود. این پوسته به راحتی می‌تواند با طیف وسیعی از AIE-gen ها تطبیق گردد، لیو می‌گوید، به همین خاطر ما می‌توانیم تعداد بسیار زیادی از مولکول‌ها را خیلی سریع رصد کنیم تا بتوانیم تشخیص دهیم کدامیک بهتر است.
AIE-dotها برای رنگ دادن به بافت‌های گوناکونی از رگ‌های خون تا سلول‌های سرطانی و اندام‌های کوچک درون سلولی مانند میتوکندری، استفاده می‌شدند. سال قبل، لیو، تنگ و همکارانش یک AIE-dot که که می‌تواند در یک نوعی از درمان با نور که به عنوان «درمان با نور پویا» (photodynamic therapy) شناخته می-شود، سودمند باشد5. در این روش دو مولکول بر روی سطح حمل می‌شوند: یکی برای وارد کردن دات به سلول سرطانی و دیگری برای چسباندن آن به میتوکندری. به محض اینکه توسط منبع نور خارجی برانگیخته شد، AIE-dot نور قرمزی تولید می‌کند که رادیکال‌های اکسیژن را نزدیک میتوکندری تولید می‌کند و سلول‌های سرطانی را از بین می‌برد.
بهترین AIE-dot می‌تواند تا 40 برابر از کوانتوم دات‌ها روشن‌تر باشد. گانگژو فنگ (Guangxue Feng)، یک دستیار تحقیقاتی در آزمایشگاه لیو می‌گوید: با AIE، «چگالی بالا در فضای محبوس شده روشنایی بیشتری تولید می‌کند». این خصوصاٌ برای کاربردهایی همچون تجسم بافت‌ها یا ردیابی بلندمدت سلول‌های سرطانی مفید است، که تعداد نانوذرات در هر سلول را هر زمان که تقسیم می‌شوند، به دو نیم می‌کنند.
اما روشنایی یک قیمتی دارد: AIE-dotها طیف پهن‌تر و آرام‌تر از رنگ‌های درخشان و خالص کوانتوم دات‌ها تولید می‌کنند. اما این نتوانست لیو را از راه اندازی LuminiCell، یک شرکت اشتقاقی در سنگاپور که AIE-dotها رادر سه رنگ و سه سایز برای محققانی مانند Goh’s A*STAR تولید می‌کرد را، متوقف کند.
تنگ همچنین برای راه‌اندازی یک شرکت نیز تلاش می‌کند؛ او و لیو امیدوار هستند که بتوانند موافقت ادارهٔ کل غذا و داروی ایالات متحده امریکا را برای تست کردن AIE-dotها برای استفاده‌ی انسان‌ها در کاربردهایی همچون جراحی با کمک فلورسانس را، بگیرند.
مقدمه‌ای بر مادون قرمز
مورد دیگری که استفاده زیستی از نانورها را محدود می‌کند این است که بیشتر آنها نور فرابنفش یا مرئی را جذب می‌کنند، که تنها می‌تواند به چند میلیمتر درون بافت نفوذ کند. طول موجهای بلندتر نزدیک تابش مادون قرمز تا سه سانتی‌متر هم می‌توانند به داخل بافت نفوذ کنند-عمق نفوذی به مراتب بهتر برای استفادهٔ داروهای آرام بخش. اما نور مادون قرمز انرژی کافی برای شکستن پیوندهایی که داروها را بر روی نانوذرات نگه می‌دارد، ندارد. بنابراین بسیاری از محققان به یک فرایند موسوم به بالادگرگونی (upconversion) روی آورده‌اند. این فرایند شامل ساختن موادی می‌باشد که می‌توانند چندین فوتون کم انرژی مادون قرمز را جذب کنند، انرژی را انباشته کنند و سپس باز تابش آن به عنوان فوتون‌های فرابنفش یا مرئی با انرژی بالاتر.
گروه عناصر فلزات سنگین که با عنوان لانتانیدها (lanthanide) شناخته می‌شوند، گزینه‌های بسیار خوبی برای این حقه هستند.در 2011 لیو در دانشگاه ملی سنگاپور گزارش کرد که آزمایشگاه او یک نوع متنوعی از نانوذرات 7 را با یک ساختار زیبا و ظریف ایجاد کرده است.این طرح شامل یک سری از پوسته‌های متحد المرکز که هر کدام شامل یک ترکیب متفاوتی از لانتانیدها هستند، می‌شود. انرژی حاصل از نور مادون قرمز توسط هسته جذب می‌شود، و سپس به سمت بیرون لایه‌ها می‌رود، و همین طور که از لانتانیدها عبور می‌کند تا قبل رسیدن به سطح و نهایتاٌ پدیدار شدن به صورت نوری با انرژی بالا، بزرگتر می‌شود.
هر 15 لانتانید می‌توانند از راه‌های بسیار مختلفی به منظور تولید نانو ذراتی که در همه‌ی رنگها تابش می‌کنند، گاهی حتی چندین رنگ با هم، ترکیب شوند.در یک اثبات، یک دانشجو در آزمایشکاه لیو یک لیزر مادون قرمز را از میان یک سری از بشرهای حاوی محلول‌های شفاف از نانوذرات تاباند: خط‌های درخشان بنفش و سبز در بشرهایی که نور مادون قرمز از آنها گذشته بود، نمایان شدند.
لیو فکر می‌کند که این بالادگرگونی نانوذرات پتانسیل بسیار زیادی در فوتوولتائیک (photovoltaic) دارد، جایی که آنها می‌توانند به گیر اندازی نور نزدیک-مادون قرمز که تقریباٌ نیمی از تابش خورشیدی را جایگزین می‌کند، کمک کنند، اگرچه؛ روشن ترین نانوذرات در دسترس تنها 10 درصد از نوری را که جذب می‌کنند؛ تبدیل می‌کنند. گروه لیو روی ساختن یک کتابخانه از این نانودرات کار می‌کند، به منظور مطالعه‌ی خصوصویات آنها و کار کردن روی شفاف‌تر کردن آنها با یک روش معین.
دسامبر سال قبل، Marta Cerruti، یک دانشکند بیومواد در دانشگاه مک‌گیل (McGill University) در مونترال کانادا اثباتی از مفهوم سیستم را گزارش دادند که در آن یک لانتائید-حاوی نانوذره با یک ژلی که حاوی یک دارو-به منظور تست کردن، یک پروتئین پایدار و فشرده می‌باشد، پوشانده می‌شود8. بعد از جذب نور نزدیک-مادون قرمز، نانوذرات به طور همزمان نور مادون قرمز، مرئی و فرابنفش گسیل می‌کنند. تابش مادون قرمز به محققان این اجازه را می‌دهد که مکان نانوذرات را ردیابی کنند، و نور فرابنفش پیوندهای پروتئین چسبیده به ژل را می‌شکنند و آن را آزاد می‌کند-یا حداقل در آزمایشکاه این گونه است. گروه Cerruti اکنون قصد دارند این تست‌ها را روی حیوانات انجام دهند.
در پایان روز، کوانتوم دات‌ها هنوز نانونورهایی هستند که می‌تپند. چان می‌گوید: «آنها استاندارهای غیر رسمی هستند،». «بسیاری از پدیدهای بنیادی در خصوص گسیل نور در کوانتوم دات‌ها پایه‌گذاری شده‌اند و این راهی را که دیگران توضیح می‌دهند چه چیزی می‌بینند را، شکل می‌دهد».
کوانتوم دات‌ها هنوز یک سرحد تحقیقی هستند. برای مثال، آنها در حال پیشی گرفتن از مواد تقریباً جدید نیمه‌رسانا مانند پروسکایت (perovskite) هستند. برخلاف نیمه‌رساناهای معمول، که نسبت ثابتی از عناصر را دارند، پروسکایت‌ها می‌توانند نسبت‌های متغیری داشته باشند، بنابراین محققان می‌توانند گسیل دات‌ها را با تغییر ترکیبات آنها همانند اندازه‌ی آنها، سازمان دهند. ادوارد سرجانت (Edward Sargent)، یک مهندس مواد در دانشگاه اتاوای کانادا می‌گوید: «آنها دو درجه‌ی آزادی برای تنظیم (یا کوک شدن) دارند».
سال گذشته سرجنت یک ماده هیبرید (hybrid) را گزارش کرد که در آن کوانتوم دات‌ها با یک پروسکایت نگه داشته شده بودند، و منجر به نوعی از روشنایی زیاد و تحرک خوب الکترونی که تولیدکنندگان برای استغاده در نمایشگرهای صفحه-مسطح دوست دارند، می‌شود.
دیگر محققان امیدوار هستند که بتوانند بهترین خصوصیات هر جزء را با جمع کردن نانونورهای هیبریدی، ترکیب کنند. برای مثال، بین لیو سعی دارد تا AIE-dotها را با کوانتوم دات‌ها به منظور تولید گسیل‌های نازک‌تر، ترکیب کند. و پلیمرهای نیمه‌رسانای جفت شده با AIE-dotها می‌توانند ذرات روشن‌تر از حالتی که تنها هستند را، تولید کنند.
دیگر چالش بزرگ برای نانونورها ساختن نسخه‌هایی است که طول موجهای مادون قرمز را به طور مؤثری گسیل کنند. این کاربردهایی رادر سنسورهای حرکتی ایجاد خواهد کرد، از آشکارسازهای کوچک که به صفحه نمایشگر زمانیکه یک تلفن همراه به سمت گوش بالا می‌آید، می‌گویند که خاموش شوندتا وسایل پیشرفته برای ماشین‌هایی که به طور خودکار حرکت می‌کنند و دیده‌بانی خانه برای افراد پیر. سرجنت می‌گوید، «کارهای بسیار زیادی برای انجام دادن وجود دارد».