Nanokosteczki srebra umożliwiają generowanie światła nanolaserowego

Badacze z Politechniki w Kownie (KTU) z Litwy i naukowcy z Japonii opracowali unikalny nanolaser. Chociaż wymiary tego lasera są tak małe, że jego strukturę można zobaczyć jedynie pod potężnym mikroskopem, jego potencjał jest ogromny. Dzięki zastosowaniu we wczesnej diagnostyce medycznej, przesyłaniu danych i technologiach bezpieczeństwa wynalazek ten może również stać się kluczowym narzędziem do badania interakcji światła i materii.

W zależności od zastosowania lasery różnią się sposobem wzmacniania i wytwarzania światła, co decyduje o barwie promieniowania i jakości wiązki lasera.

„Nanolasery to lasery, które do generowania i wzmacniania światła wykorzystują struktury milion razy mniejsze niż milimetr, a promieniowanie laserowe jest generowane w niezwykle małej objętości materiału” – mówi dr Mindaugas Juodėnas, jeden z autorów wynalazku.

Artykuł zatytułowany „Lasowanie w złożonym zestawie srebrnych nanorurek” jest opublikowany W Horyzonty w nanoskali.

Zasada działania lasera przypomina salę luster

Badania i rozwój takich nanolaserów trwają już od pewnego czasu. Wersja naukowców z KTU jest jednak wyjątkowa pod względem procesu produkcyjnego. Wykorzystuje nanorurki srebra, które są starannie ułożone na powierzchni i wypełnione optycznie aktywnym materiałem. Tworzy to mechanizm niezbędny do wzmocnienia światła i wytworzenia efektu lasera.

„Nanokostki srebra to niezwykle małe, monokrystaliczne cząstki srebra o doskonałych właściwościach optycznych. Stanowią zasadniczą część opracowanego przez nas nanolasera” – mówi Juodėnas, badacz z Instytutu Nauki o Materiałach KTU.

Nanokosteczki syntetyzuje się w unikalnym procesie opracowanym przez partnerów KTU w Japonii, zapewniającym ich precyzyjny kształt i jakość. Te nanokosteczki są następnie układane w dwuwymiarową strukturę przy użyciu procesu samoorganizacji nanocząstek.

Podczas tego procesu cząsteczki w naturalny sposób układają się z ciekłego ośrodka we wcześniej przygotowany szablon.

Kiedy parametry szablonu odpowiadają właściwościom optycznym nanokostek, powstaje unikalne zjawisko zwane rezonansem sieci powierzchniowej, umożliwiające wydajne wytwarzanie światła w optycznie aktywnym ośrodku.

Podczas gdy konwencjonalne lasery wykorzystują lustra do wywołania tego zjawiska, nanolaser wynaleziony przez badaczy z KTU wykorzystuje zamiast tego powierzchnię z nanocząsteczkami. „Kiedy srebrne nanorurki ułożone są w okresowy wzór, światło zostaje uwięzione między nimi. W pewnym sensie proces ten przypomina salę luster w wesołym miasteczku, ale w naszym przypadku lustra to nanokosteczki i osoba odwiedzająca park jest światłem” – wyjaśnia Juodėnas.

Dzięki zastosowaniu wysokiej jakości, łatwych w produkcji nanomateriałów, takich jak nanorurki srebra, laser wymaga do działania rekordowo niskiej ilości energii, co pozwala na masową produkcję laserów.

„Chemicznie syntetyzowane nanorurki srebra można wytwarzać w setkach mililitrów, a ich wysoka jakość pozwala na zastosowanie technologii samoorganizacji nanocząstek. Nawet jeśli ich układ nie jest idealny, rekompensują to ich właściwości” – mówi Juodėnas.

Jednak na początkowych etapach prostota metody, która powinna wzbudzić zainteresowanie, zamiast tego zniechęciła litewskie agencje finansujące badania. „Sceptycy wątpili, czy prosta metoda, którą zastosowaliśmy, będzie w stanie stworzyć struktury o wystarczająco wysokiej jakości dla działającego nanolasera” – wspomina profesor Sigitas Tamulevičius.

Głęboko wierząc w jakość opracowywanego nanolasera, zespół Instytutu Nauk o Materiałach KTU otrzymał finansowanie od międzynarodowej organizacji, która – jak mówi Juodėnas – oceniła pomysł jako obiecujący: „Po wielu pracy i szeregu eksperymentów udało nam się udowodniły, że nawet niedoskonałe układy mogą być skuteczne, jeśli zastosuje się nanocząstki wysokiej jakości”.

Zgrabny układ nanocząstek, który wykorzystano także w innym wynalazku badaczy z KTU do tworzenia znaków zapobiegających podrabianiu, zyskał już międzynarodowe uznanie i został zatwierdzony przez urzędy patentowe USA i Japonii.

W przyszłości nanolaser stworzony przez naukowców z KTU może zostać wykorzystany jako źródło światła w ultraczułych czujnikach biologicznych do wczesnego wykrywania chorób lub monitorowania procesów biologicznych w czasie rzeczywistym. Można go również zastosować w miniaturowych chipach fotonicznych, technologiach identyfikacji i urządzeniach uwierzytelniających, gdzie kluczowa jest unikalna struktura wiązki. Ponadto może wesprzeć badania podstawowe nad interakcją światła z materią w nanoskali.