"Мы нашли первую полностью фотостабильную, полностью фотопереключаемую наночастицу - святой грааль дизайна нанозондов", - сказал Шук, доцент кафедры машиностроения.

Этот уникальный материал был синтезирован в лабораториях Эмори Чана и Брюса Коэна в Molecular Foundry Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, а также в национальной лаборатории в Южной Корее. В исследовательскую группу также входила лаборатория Юнга Дуга Су в Ульсанском национальном институте науки и технологий (UNIST).

Святой Грааль: Простой и надежный выключатель света

Существующие органические красители и флуоресцентные белки, используемые в таких приложениях, как оптическая память, нанопаттернинг и биоизображение, привели к многолетним прорывам (и получили Нобелевскую премию по химии в 2014 году), но срок службы этих молекул ограничен. При освещении большинство из них начнут беспорядочно мигать и в конечном счете окончательно потемнеют, или "фотообесцвечиваются".

Напротив, наночастицы, легированные лантаноидами, демонстрируют замечательную фотостабильность. За более чем 15 лет работы с ними в своей лаборатории Шук отметил, что они ни разу не видели, чтобы кто-то умер. До одного случайного дня в 2018 году, когда Ли и аспирантка Эмма Сюй наблюдали, как кристалл потемнел, а затем снова включился. Ли покопался в литературе и нашел упоминания 30-летней давности о лантаноидных оптических волокнах, которые можно "затемнять" и "осветлять", предполагая, что мигание можно контролировать.

В новой статье, опубликованной сегодня в Природа команда делает именно это. Используя ближний инфракрасный свет, они затемняли и осветляли свои наночастицы более тысячи раз в различных окружающих и водных средах без каких-либо признаков деградации.

"Мы можем отключить эти частицы, которые в противном случае не подвергаются фотообесцвечиванию, с помощью света с одной длиной волны и снова включить с другой, просто используя обычные лазеры", - сказал Ли. Примечательно, что ближний инфракрасный свет может глубоко проникать как в неорганические материалы, так и в биологические ткани с минимальным рассеянием или фототоксичностью.

Необычные результаты украсят будущие приложения

Рассматривая потенциальные области применения, команда продемонстрировала, как частицы можно использовать для записи - и перезаписи - узоров на 3D-подложках, что в один прекрасный день может улучшить оптическое хранение данных высокой плотности и компьютерную память.

"Этот неопределенный двунаправленный нанокристалл с фотопереключением мог бы создать полностью оптическое квантовое запоминающее устройство для хранения огромного объема данных, создаваемых квантовыми компьютерами - подумайте о CD-ROM и CD-RWS, но более быстрое и гораздо более точное", - сказал Су.

Частицы также обладают потенциально бесконечной разрешающей способностью, которая зависит от количества фотонов, генерируемых зондом под наноскопом со сверхвысоким разрешением. Используя оборудование в лаборатории Су, Ли достиг субангстремовой точности всего за несколько часов.

Команда считает, что фотопереключение, наблюдаемое в текущей работе, в конечном счете является результатом дефектов атомных кристаллов, слишком малых, чтобы их можно было визуализировать даже с помощью самых современных электронных микроскопов. Эти дефекты сдвигают порог лавинообразности частиц вверх или вниз и могут быть изменены с помощью различных длин волн света, чтобы сделать сигнал более тусклым или ярким.

В дополнение к поиску потенциальных применений в оптической памяти, микроскопии со сверхвысоким разрешением, биоизображении и биосенсорике, команда использует роботов для синтеза наночастиц в молекулярном литейном цехе, передовые вычислительные модели и машинное обучение для дальнейшего совершенствования существующих кристаллов и изучения того, могут ли они синтезировать другие виды наночастиц с аналогичными фотопереключаемыми свойствами.

По словам Коэна, все это исследование стало неожиданностью. "Начиная с нашей статьи 2009 года, мы говорили, что этот класс наночастиц не включается и не выключается, и все же это именно то, что мы здесь изучаем. Одна из особенностей, которую мы обнаружили с помощью этих наночастиц, заключается в том, что они дают странные результаты ".