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Em 2021, as nanopartículas dopadas com lantanídeos criaram ondas – ou melhor, uma avalanche – quando Changwan Lee, então estudante de doutorado no laboratório de Jim Schuck na Columbia Engineering, desencadeou uma reação em cadeia extrema produtora de luz a partir de cristais ultrapequenos desenvolvidos no Molecular Fundição no Berkeley Lab. Esses mesmos cristais estão de volta com um piscar de olhos que agora pode ser controlado deliberada e indefinidamente.
“Encontramos a primeira nanopartícula totalmente fotoestável e comutável – um santo graal do design de nanossondas”, disse Schuck, professor associado de engenharia mecânica.
Este material único foi sintetizado nos laboratórios de Emory Chan e Bruce Cohen na Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Laboratory, bem como em um laboratório nacional na Coréia do Sul. A equipe de pesquisa também incluiu o laboratório de Yung Doug Suh no Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan (UNIST).
O Santo Graal: um interruptor de luz simples e estável
Os corantes orgânicos existentes e as proteínas fluorescentes usadas em aplicações como memória óptica, nanopadronização e bioimagem renderam anos de avanços (e receberam o Prêmio Nobel de Química em 2014), mas essas moléculas têm vida útil limitada. Após a iluminação, a maioria começará a piscar aleatoriamente e, por fim, escurecerá permanentemente, ou “fotobranqueamento”.
Em contraste, as nanopartículas dopadas com lantanídeos mostram notável fotoestabilidade. Em mais de 15 anos trabalhando com eles em seu laboratório, Schuck observou que eles nunca viram um morrer. Até que um dia aleatório em 2018, quando Lee e a estudante de doutorado Emma Xu observaram um cristal escurecer e depois ligar novamente. Lee vasculhou a literatura e encontrou menções de 30 anos atrás de fibras ópticas de lantanídeos que poderiam ser “fotoescurecidas” e “fotobrilhadas” – sugerindo que o comportamento de piscar poderia ser controlado.
Em um novo artigo publicado hoje na Natureza, a equipe faz exatamente isso. Usando luz infravermelha próxima, eles escureceram e iluminaram suas nanopartículas mais de mil vezes em diferentes ambientes e ambientes aquosos sem sinais de degradação.
“Podemos transformar essas partículas, que de outra forma não desbotam, com um comprimento de onda de luz e voltar com outro, simplesmente usando lasers comuns”, disse Lee. Notavelmente, a luz infravermelha próxima pode penetrar profundamente em materiais inorgânicos e tecidos biológicos com dispersão mínima ou fototoxicidade.
Resultados estranhos iluminam aplicações futuras
Olhando para aplicações potenciais, a equipe demonstrou como as partículas podem ser usadas para escrever – e reescrever – padrões em substratos 3D, o que poderia um dia melhorar o armazenamento de dados ópticos de alta densidade e a memória do computador.
“Este nanocristal de comutação bidirecional e indefinido pode produzir um dispositivo de memória quântica totalmente óptico para armazenar a vasta quantidade de dados produzidos por computadores quânticos – pense em CD-ROMs e CD-RWs, mas mais rápido e muito mais preciso”, disse Suh.
As partículas também oferecem poder de resolução potencialmente infinito, que depende do número de fótons produzidos por uma sonda sob um nanoscópio de super-resolução. Usando equipamentos do laboratório de Suh, Lee alcançou precisão sub-Àngstrom em apenas algumas horas.
A equipe acredita que o photoswitching observado no trabalho atual resulta, em última análise, de defeitos de cristal atômico muito pequenos para serem visualizados mesmo com os microscópios eletrônicos mais avançados. Esses defeitos mudam o limiar de avalanche da partícula para cima ou para baixo e podem ser alternados por diferentes comprimentos de onda de luz para tornar o sinal mais escuro ou mais brilhante.
Além de buscar aplicações potenciais em memória óptica, microscopia de super-resolução e bioimagem e biossensor, a equipe está usando robôs de síntese de nanopartículas na Molecular Foundry, modelos computacionais avançados e aprendizado de máquina para melhorar ainda mais os cristais atuais e explorar se eles podem sintetizar outros tipos de nanopartículas com propriedades fotocomutáveis semelhantes.
Todo esse estudo foi uma surpresa, disse Cohen. “Desde nosso artigo de 2009, dizíamos que essa classe de nanopartículas não liga e desliga, mas é exatamente isso que estamos estudando aqui. Uma das coisas que descobrimos com essas nanopartículas é adotar resultados estranhos. “
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