Stichting FOM
13 juli 2010
Moleculaire lichtbronnen gevoelig voor omgeving
Een Nederlands-Frans team van wetenschappers onder leiding van
FOM-onderzoeker dr. Danang Birowosuto en FOM-werkgroepleider dr. Alard
Mosk heeft voor het eerst experimenten gedaan die aantonen dat
fluorescerende moleculen zich in ondoorzichtige, verstrooiende
materialen wezenlijk anders gedragen dan in heldere materialen. Dit was
zo'n twintig jaar geleden al theoretisch voorspeld, maar nog nooit
waargenomen. Begrip van dit proces is belangrijk voor het ontwerpen van
nanomaterialen voor energiezuinige verlichting, krachtige microscopen
en efficiënte zonnecellen. De wetenschappers publiceerden hun
resultaten op 2 juli on-line in het prestigieuze tijdschrift Physical
Review Letters.
Figuur 1. Fluorescente moleculen
vergroten Figuur 1. Fluorescente moleculen
(a) In een glashelder materiaal zenden identieke moleculen allemaal
evenveel fotonen per seconde uit, waardoor ze evenveel licht geven.
(b) Ondoorzichtige materialen zoals verf en biologisch weefsel zijn een
doolhof voor fotonen. In zo'n materiaal varieert het aantal fotonen dat
een molecuul per seconde uitzendt.
Figuur 2. Fotonen
vergroten Figuur 2. Fotonen
Staafdiagram van het aantal uitgezonden foton per seconde in
verschillende materialen (a) Sterk verstrooiend zinkwit (zinkoxide) met
een brede verdeling van emissie snelheden (b) Verstrooiend polystyreen
(c) Als referentie, het aantal fotonen per seconde in een helder
plastic.
Fluorescerende moleculen gedragen zich als zeer efficiënte lichtbronnen
op nanoschaal. Ze worden dan ook veelvuldig toegepast in energiezuinige
verlichting, computerschermen en voor het maken van afbeeldingen in de
biomedische wetenschap. In heldere materialen zullen alle moleculen van
hetzelfde soort evenveel lichtdeeltjes (fotonen) per seconde uitzenden.
Doolhof voor fotonen
Maar in veel toepassingen bevinden de moleculen zich niet in een helder
materiaal. De witte verstrooiende fosfor in spaarlampen en witte LED
lampen is bijvoorbeeld melkachtig ondoorzichtig. Dit komt doordat het
materiaal een doolhof voor fotonen vormt; de lichtdeeltjes worden
verstrooid en veranderen regelmatig van richting. In de jaren '90 van
de twintigste eeuw is voorspeld dat in zulke materialen het uitzenden
van licht door de moleculen veranderlijk wordt. Afhankelijk van de
manier waarop ze door verstrooiende nanodeeltjes omringd worden zullen
sommige moleculen meer fotonen per seconde gaan uitzenden, en anderen
juist minder.
De reden voor deze veranderlijkheid is dat het proces waarbij een
molecuul een foton uitzendt (spontane emissie) gevoelig is voor de
nano-omgeving. Een verstrooiend deeltje op enkele nanometers afstand
kan het eenvoudiger of moeilijker maken om een foton uit te zenden,
afhankelijk van zijn grootte en positie.
Nanobolletjes
De wetenschappers van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de
Universiteit Twente en de Universiteit van Grenoble in Frankrijk hebben
experimenten uitgevoerd die deze veranderlijkheid van lichtbronnen voor
het eerst duidelijk demonstreren. Ze gebruikten daarvoor nanobolletjes
gevuld met fluorescente moleculen. Ieder nanobolletje had een diameter
van niet meer dan 25 nanometer - meer dan een miljoen keer kleiner dan
een menselijke cel. Met gevoelige metingen konden de bolletjes zelfs
temidden van vele verstrooiende deeltjes gezien worden.
De nanobolletjes werden in sterk verstrooiende materialen gemengd,
gemaakt van polystyreen (piepschuim) en zinkwit (een verfpigment).
Vervolgens maten de onderzoekers de hoeveelheid licht die per seconde
werd uitgezonden. In een helder medium was dat hetzelfde voor elk
nanobolletje. Maar in de verstrooiende materialen varieerde de
hoeveelheid uitgezonden licht aanmerkelijk. Hoe sterker de verstrooiing
van het medium, hoe groter de veranderlijkheid. Aan de hand van de
metingen konden de onderzoekers een nieuw model ontwikkelen om de
sterkte van die veranderlijkheid te kunnen verklaren.
Dankzij dit resultaat is onze kennis van het uitzenden van licht in
verstrooiende materialen vergroot. Deze kennis kan worden gebruikt om
bestaande lichtbronnen te verbeteren, maar bijvoorbeeld ook om nieuwe
afbeeldingstechnieken te ontwikkelen om biochemische processen in
cellen te bestuderen.
Referentie
'Observation of spatial fluctuations of the local density of states in
random photonic media' online gepubliceerd door Physical Review
Letters: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.105.013904
Het onderzoek is uitgevoerd door de jonge wetenschapper dr. Danang
Birowosuto, bijgestaan door prof.dr. Willem Vos, en werkgroepleider dr.
Allard Mosk uit de groep Complex Photonic Systems (COPS,
www.photonicbandgaps.com), MESA+ Instituut voor Nanotechnologie,
Universiteit Twente, Enschede, en onderzoeker dr. Sergey Skipetrov van
de Université Joseph Fourier en CNRS in Grenoble, Frankrijk.
Het onderzoek is gefinancierd door de Stichting voor Fundamenteel
Onderzoek der Materie (FOM), door de Nederlandse Organisatie voor
Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) en door CNRS.
Informatie
Dr. Allard Mosk, University of Twente, Enschede, The Netherlands, phone
+31 (0)53 489 53 90.