پایگاه خبری تحلیلی فناوری و نوآوری

گوانینگ چن ، استاد شیمی موسسه فناوری هاربین (Harbin Institute of Technology) و پژوهشگر موسسه لیزر، فوتونیک و بیوفوتونیک (Institute for Lasers, Photonics, and Biophotonics (ILPB)) – یا به اختصار آی‌اِل‌پی‌بی – می‌گوید: «با ایجاد لایه‌های ویژه‌ای که به بهره‌وری انتقال انرژی از سطح ذرات به هسته کمک می‌نمایند (نور آبی و فرابنفش منتشر می‌کنند)، طراحی ما به غلبه بر برخی از موانع بلندمدت در مقابل فناوری‌های قبلی کمک می‌کند.»
جوسانا داماسکو ، دانشجوی دکتری دانشگاه بوفالو (UB) که نقش اساسی در این پروژه دارد، می‌گوید: «ذره ما در تبدیل نور، بیش از صد برابر از نانوذرات مشابه تولیدشده در گذشته موثرتر می‌باشد. همچنین ساخت آن نیز در عمل ممکن‌پذیرتر است.»
این پژوهش با رهبری موسسه آی‌اِل‌پی‌بی دانشگاه بوفالو و موسسه فناوری هاربین در چین، با همکاری موسسه فناوری رویال (Royal Institute of Technology) در سوئد، دانشگاه ایالت تامسک (Tomsk State University) در روسیه و دانشکده پزشکی دانشگاه ماساچوست (University of Massachusetts Medical School)، در نشریه Nano Letters به چاپ رسید.
نوآوری تیم مزبور، ساخت نانوذراتی بود که 3 لایه داشتند: یک پوشش از رنگ‌دانه آلی، پوسته حاوی نئودیمیم (neodymium) و هسته ترکیبی از ایتربیم (ytterbium) و تولیم (thulium). این لایه‌ها، نور نامرئی نزدیک به مادون قرمز را به پرتو آبی و فرابنفش پر انرژی با بهره‌وری بالا تبدیل می‌کنند. ترفند مزبور می‌تواند عملکرد فناوری‌های گوناگونی از تصویربرداری عمیق از بافت (deep-tissue imaging) و درمان نوری (light-induced therapy) تا جوهرهای امنیتی مورد استفاده در چاپ اسکناس را بهبود ببخشد.
تبدیل نور با انرژی کم به نور با انرژی بالا کار ساده‌ای نیست. این فرایند گرفتن دو یا چند بسته کوچک از نور به نام "فوتون" از یک منبع نور با انرژی کم، و ترکیب‌کردن انرژیشان و تبدیل به یک فوتون با انرژی بالا را شامل می‌شود.
نانوذرات پیازمانند این وظایف را به خوبی انجام می‌دهند. هر یک از سه‌لایه‌اش دارای یک عملکرد منحصر به فرد است:
آخرین لایه، پوششی از رنگ‌های آلی است. تیمش اهول‌چانسکی می‌گوید: «این رنگ‌دانه می‌تواند فوتون نور کم انرژی نزدیک به مادون قرمز را جذب نماید. این لایه همانند آنتن در نانوذره است که نور را برداشت کرده و انتقال انرژی را در داخل ممکن می‌سازد.»
لایه بعدی، یک پوسته حاوی نئودیمیم است. این لایه به عنوان یک پل عمل می‌کند و انرژی را از رنگ‌دانه به هسته ساطع‌کننده نور در ذره انتقال می‌دهد.
در داخل هسته ساطع‌کننده نور، یون های ایتربیوم و تولیم به صورت هماهنگ کار می‌کنند. یون ایتریم انرژی را به داخل هسته می‌کشاند و از روی یون‌های تالیم عبور می‌دهد – یک خاصیت ویژه که انرژی سه، چهار و یا پنج فوتون را جذب می‌کند و سپس یک فوتون پرانرژی با نور آبی و فرابنفش ساطع می‌نماید.
سوالی که پیش می‌آید این است که چرا فقط از هسته استفاده نمی‌شود؟ چرا لایه رنگ‌دانه و نئودیمیم اضافه گشته است؟ همان‌گونه که اهولچانسکی و چن توضیح دادند، هسته به تنهایی در جذب فوتون ناکارآمد است. این جایی است که لایه رنگ‌دانه وارد می‌شود.
هنگامی که رنگ‌دانه را اضافه می‌کنید، لایه حاوی نئودیمیم برای انتقال موثر انرژی از رنگ‌دانه به هسته، ضروری می‌باشد. اهولچانسکی بدین ترتیب توضیح می‌دهد: «هنگامی که مولکول‌ها و یا یون‌های یک ماده، فوتون را جذب می‌کنند، در اصطلاح برانگیخته شده و می‌توانند انرژی را به مولکول‌ها و یا یون‌های دیگر انتقال دهند. موثرترین انتقال زمانی رخ می‌دهد که مولکول‌ها یا یون‌های برانگیخته‌شده، نیاز به جذب انرژی مشابه داشته باشند، اما رنگ‌دانه و یون‌های ایتریم حالت‌های برانگیختگی با انرژی‌های بسیار متفاوت دارند. بنابراین، این گروه با اضافه‌کردن نئودیمیم – که دارای حالت برانگیختگی بین رنگ‌دانه و تالیم است – به عنوان یک پل، راهی برای رسیدن انرژی به یون‌های ساطع‌کننده تالیم را فراهم می‌آورند.