Tim s Fakulteta inženjerstva Sveučilišta u Torontu objavio je u časopisu Journal of the American Chemical Society rad o novoj vrsti nanočestica osjetljivih na boju. Kada se na njih, raspršene u tekućini, usmjeri blisko-infracrveni laser, one apsorbiraju niskoenergetske fotone i emitiraju zelenu svjetlost više energije. Riječ je o takozvanoj upkonverziji — procesu koji obične fluorescentne boje ne mogu izvesti.
Voditelj istraživanja, profesor Kai Huang, objašnjava razliku jednostavno: fluorofori pretvaraju visokoenergetske fotone u niskoenergetske, a njegove čestice rade obrnuto. Zbog toga se signal lako odvaja od šuma. „To je kao razlika između promatranja zvijezda noću i danju”, rekao je Huang. „Zvijezde svijetle jednako jako cijelo vrijeme, ali danju ih sunce nadjača. Spuštanje frekvencije pobude daje nultu autofluorescenciju u uzorku, a nanoprobe nastavljaju svijetliti.”
Što su promijenili u receptu
U središtu čestice su ioni iterbija i erbija, pripadnici obitelji lantanida. Iterbij prenosi energiju, erbij je pretvara u zeleno svjetlo. Problem je nastajao kada se iterbija nagomila previše: tada počinje upijati i energiju koja izlazi, pa se dio svjetlosti vraća natrag i nikada ne stigne do površine. Doktorand Jiaze Wu, glavni autor rada, to naziva povratnim prijenosom energije.
Rješenje su našli promjenom kemijskog sastava i oblika. Umjesto natrija, itrija i fluora, matrica je napravljena od litija, lutecija i fluora. Ravni šesterokuti zamijenjeni su trodimenzionalnom dijamantnom strukturom s jezgrom, unutarnjom i vanjskom ljuskom. Koncentracija iterbija raste prema sredini, pa energija putuje gotovo isključivo u jednom smjeru — prema erbiju.
Do tog rješenja nisu došli slučajno. Student Weixiang Ben vodio je računalne simulacije koje su virtualno testirale desetke formulacija prije nego što su čestice uopće izrađene u laboratoriju. Metodama Monte Carlo i teorijom funkcionala gustoće provjerili su kako se energija ponaša sve do atomske razine.
Primjena koja zvuči korisno — i pitanje koje nitko ne postavlja
Prema Wuovim procjenama, emitirana svjetlost približno je 150 puta jača od one kod upkonverzijskih nanočestica bez osjetljivača na boju, a oko 50 puta jača od najboljih dosad objavljenih konvencionalnih struktura pod istim uvjetima pobude. Takva osjetljivost omogućuje otkrivanje ciljanih molekula u vrlo niskim koncentracijama, pa i razlikovanje strukturnih izomera — molekula sastavljenih od istih atoma, ali drukčije posloženih.
Wu navodi konkretan scenarij: ako u proizvodnji lijeka 10 posto šarže završi kao pogrešan izomer, lijek može biti manje djelotvoran ili izazvati nuspojave. Sada se to otkriva skupim analitičkim testovima, a s ovim česticama bilo bi dovoljno jeftino lasersko svjetlo i mali uzorak. Isti princip vrijedi i za otkrivanje tragova onečišćenja u podzemnim vodama.
No upravo tu počinje ono što izvor prešućuje. Tehnologija koja omogućuje precizno prepoznavanje molekula u tragovima jednako dobro služi za otkrivanje onečišćenja koliko i za nadzor. Isto oruđe koje u podzemnoj vodi pronalazi pesticid može u biološkom uzorku pronaći i trag lijeka koji osoba nije prijavila. Tko će odlučivati o granicama primjene, nije dio znanstvenog rada — ali jest dio javne rasprave koja izostaje.
Duga cesta do tvornice
Huang priznaje da je sljedeći korak masovna proizvodnja i da na tome već rade. „Mislimo da je izvedivo, ali to zahtijeva vrlo dug plan”, rekao je. „U međuvremenu, ovaj model služi kao dokaz koncepta.”
To je poštena formulacija, ali i ključna ograda. Rezultat je zanimljiv na razini laboratorija, a pitanje je hoće li ikada prijeći u pogon. Iskustvo s brojnim nanomaterijalima pokazuje da upravo skaliranje — a ne sama znanost — najčešće presudi projektu.
Ima i širi kontekst. Proizvodnja ovakvih čestica zahtijeva litij, lutecij i rijetke zemlje, a opskrbni lanci tih materijala danas su gotovo potpuno izvan kontrole europskih država. Tehnološka autonomija o kojoj se u Hrvatskoj tek povremeno govori ovdje prestaje biti fraza: bez vlastitog pristupa sirovinama i vlastite proizvodne baze, ovakva otkrića ostaju tuđi patent i tuđi izvozni proizvod.
Do tada ostaje činjenica da je tim napravio nešto što dosad nije bilo moguće — i da je pravo pitanje manje kako čestica svijetli, a više kome će to svjetlo služiti.
Što je točno promijenio kanadski tim?
U klasičnim upkonverzijskim česticama, kada ima previše iona iterbija, oni se počnu ponašati sebično. Umjesto da energiju predaju erbiiju prema van, oni je u gustoj strukturi počnu prenositi natrag jedni drugima prema unutrašnjosti čestice, gdje se ona “zaglavi” i pretvori u toplinu. To se zove povratni prijenos energije (back-energy transfer).
Kanadski znanstvenici su napravili 3D strukturu jezgre i ljuski s gradijentom:
Rezultat je fizikalni “autoput” za fotone bez zastoja i gubljenja energije, što je rezultiralo 150 puta jačim sjajem.