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.
(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.
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
