Moleculaire lichtbronnen gevoelig voor omgeving
13 juli 2010
Een Nederlands-Frans team van wetenschappers onder leiding van
FOM-onderzoeker Dr. Danang Birowosuto en UT-onderzoeker dr. Allard Mosk
(MESA+ Instituut voor Nanotechnologie) 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 in het prestigieuze
tijdschrift Physical Review Letters.
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.
Mosk_PRL_jul2010_1
(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.
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.
Mosk_PRL_jul2010_2
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.
'Observation of spatial fluctuations of the local density of states in
random photonic media' is 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 nderzoeker 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, email: a.p.mosk@tnw.utwente.nl tel (053)4895390 of Wiebe
van der Veen, communicatie UT, w.r.vanderveen@utwente.nl, tel
(053)4894244
Universiteit Twente