Νέα νανοσωματίδια εντοπίζουν επικίνδυνους ρύπους μέσω υπέρυθρης ακτινοβολίας

Σύνοψη

• Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Τορόντο ανέπτυξαν νανοσωματίδια σε σχήμα διαμαντιού τα οποία μετατρέπουν φωτόνια χαμηλής ενέργειας σε εξαιρετικά φωτεινές εκπομπές υψηλής ενέργειας.
• Η καινοτόμος αρχιτεκτονική πολλαπλών στρωμάτων υπερβαίνει τους περιορισμούς των παραδοσιακών εξαγωνικών δομών, προσφέροντας φωτεινότητα αυξημένη κατά 150 φορές.
• Η τεχνολογία επιτρέπει την αναγνώριση ελάχιστων χημικών ιχνών και δομικών ισομερών με τη χρήση προσιτών οικονομικά λέιζερ αντί για πανάκριβο αναλυτικό εξοπλισμό.
• Η ενσωμάτωση αυτής της μεθόδου στην ελληνική βιομηχανία μπορεί να μειώσει ριζικά το κόστος ποιοτικού ελέγχου στις εγχώριες φαρμακοβιομηχανίες και να διευκολύνει την παρακολούθηση της ποιότητας του υδροφόρου ορίζοντα.

Τα νέα νανοσωματίδια σε σχήμα διαμαντιού απορροφούν φωτόνια χαμηλής ενέργειας στο φάσμα του εγγύς υπέρυθρου και τα μετατρέπουν σε υψηλής ενέργειας ορατό πράσινο φως. Κατασκευασμένα με μια περίπλοκη τριπλή δομή πυρήνα και προστατευτικών κελυφών από σπάνιες γαίες, όπως το υττέρβιο και το έρβιο, επιτυγχάνουν εκπομπή 150 φορές ισχυρότερη, διευκολύνοντας την ανίχνευση χημικών ενώσεων σε απειροελάχιστες συγκεντρώσεις.

Η ανακάλυψη έρχεται από ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου του Τορόντο. Οι επιστήμονες κατάφεραν να επιλύσουν ένα μακροχρόνιο πρόβλημα της νανοτεχνολογίας που αφορούσε τον συμβιβασμό μεταξύ ευαισθητοποίησης και παθητικοποίησης, σχεδιάζοντας από το μηδέν μια αρχιτεκτονική ικανή να μεταφέρει την ενέργεια του φωτός προς τον πυρήνα του σωματιδίου χωρίς να υπάρχουν απώλειες στην επιφάνεια. Η προηγούμενη προσέγγιση βασιζόταν στη δημιουργία επίπεδων εξαγωνικών σωματιδίων όπου τα ιόντα υττερβίου και ερβίου βρίσκονταν εγκλωβισμένα μέσα σε ένα πλέγμα νατρίου, υττρίου και φθορίου, προκαλώντας τεράστιες απώλειες ενέργειας εξαιτίας της ανεξέλεγκτης μεταφοράς της προς τον περιβάλλοντα χώρο.

Ο υποψήφιος διδάκτορας Jiaze Wu εξηγεί πως η νέα γεωμετρία διαμαντιού επιτρέπει τη φιλοξενία πολλαπλών στρωμάτων γύρω από τον πυρήνα, λειτουργώντας ουσιαστικά ως ένας μοριακός φακός που συγκεντρώνει τα φωτόνια και αποτρέπει τη διάχυση της ενέργειας, διατηρώντας ταυτόχρονα το σωματίδιο ανενεργό ως προς τις ανεπιθύμητες χημικές αντιδράσεις του περιβάλλοντος. Ο σχεδιασμός αυτής της περίπλοκης διάταξης δεν προέκυψε τυχαία, καθώς ο προπτυχιακός φοιτητής Weixiang Ben πραγματοποίησε εκτεταμένες υπολογιστικές προσομοιώσεις Monte Carlo και εφάρμοσε τη θεωρία συναρτησιακού πυκνότητας (DFT) για να προβλέψει τον τρόπο με τον οποίο θα αλληλεπιδρούσαν οι ενέργειες σε υποατομικό επίπεδο πριν καν ξεκινήσει η σύνθεση των υλικών στο εργαστήριο.

Η παραγόμενη ένταση εκπομπής φτάνει σε επίπεδα που επιτρέπουν την αναγνώριση ουσιών οι οποίες φέρουν ακριβώς τον ίδιο αριθμό ατόμων αλλά διαφέρουν ελάχιστα ως προς την τρισδιάστατη διάταξή τους στον χώρο. Τα δομικά ισομερή αποτελούν διαχρονικό πονοκέφαλο για τους ερευνητές, διότι η χημική τους ταύτιση συνήθως απαιτεί τη χρήση τεράστιων και δαπανηρών φασματογράφων μάζας ή συστημάτων πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού που καταλαμβάνουν ολόκληρα δωμάτια. Ο νέος μηχανισμός ανίχνευσης λειτουργεί με μια απλή συσκευή λέιζερ που εκπέμπει στο εγγύς υπέρυθρο φάσμα, φωτίζοντας το υγρό δείγμα και αναγκάζοντας τα νανοσωματίδια να μετατρέψουν την αόρατη ακτινοβολία σε ένα εκτυφλωτικό πράσινο φως που μηδενίζει τον θόρυβο υποβάθρου. Η μετατόπιση της συχνότητας διέγερσης σε χαμηλότερα επίπεδα εξαλείφει την αυτοφθορίζουσα ακτινοβολία των υπόλοιπων στοιχείων του δείγματος, καθιστώντας τα σωματίδια ορατά με τον ίδιο ακριβώς τρόπο που τα αστέρια γίνονται αντιληπτά στον ουρανό μόνο όταν κρύβεται ο ήλιος.

Οι εφαρμογές που προκύπτουν από την εν λόγω έρευνα αναμένεται να απλοποιήσουν δραματικά τις διαδικασίες παραγωγής και ελέγχου σε τομείς αιχμής. Η βιομηχανία παρασκευής φαρμάκων αποκτά ένα πανίσχυρο εργαλείο για την άμεση αναγνώριση επικίνδυνων προσμίξεων κατά τη διάρκεια της γραμμής παραγωγής, αποτρέποντας την κυκλοφορία ελαττωματικών παρτίδων που συχνά οδηγούν σε δαπανηρές ανακλήσεις προϊόντων. Παράλληλα, οι επιστήμονες περιβάλλοντος μπορούν να αξιοποιήσουν αυτούς τους φωτοβόλους ιχνηλάτες για τη λεπτομερή χαρτογράφηση των υπόγειων υδάτων, αναζητώντας απειροελάχιστα ίχνη τοξικών ρύπων, βαρέων μετάλλων ή υπολειμμάτων γεωργικών φαρμάκων που διαφεύγουν από τα παραδοσιακά πρωτόκολλα δειγματοληψίας. 

Το αμέσως επόμενο βήμα της ερευνητικής ομάδας αφορά την κλιμάκωση της παραγωγικής διαδικασίας, αναζητώντας μεθόδους για τη μαζική σύνθεση αυτών των νανοσωματιδίων εκτός των ορίων του εργαστηριακού περιβάλλοντος, προκειμένου να καταστούν εμπορικά διαθέσιμα σε βιομηχανική κλίμακα.