Nanopartikel und billiger Laser könnten Mikroskope um das Zehnfache verbessern

Extrem leistungsstarke, kostengünstige Mikroskope könnten das Ergebnis neuer Forschungen sein, die einen einfachen Weg zur Lichtverstärkung gefunden haben.

Um kleine Dinge wie Proteine ​​oder Transistoren in Computerchips zu sehen, braucht man derzeit ein Elektronenmikroskop oder noch teurere und umständlichere Technik.

Dies behindert viele Nanowissenschaften, insbesondere in der medizinischen Forschung und der Herstellung von Computerchips. Wenn nanoskalige Fehler in Computerchips nicht erkannt werden, kann dies Milliarden von Dollar kosten.

Doch die von einem internationalen Forscherteam in „Science Advances“ veröffentlichte Forschung ist zu einer Methode gelangt, die den Weg zu einer viel einfacheren Vergrößerung ebnen könnte.

„Wenn wir unter ein Mikroskop schauen, können wir ziemlich kleine Objekte sehen, aber nicht unendlich klein“, sagt der leitende Autor Dr. Sergey Kruk, Forscher am Nonlinear Physics Centre der Australian National University (ANU).

„Die Grenze liegt bei den Wellenlängen des Lichts. Es gibt eine Gleichung, die genau die kleinste Größe berechnen kann, die man in einem bestimmten Mikroskop sehen kann, aber grob gesagt kann man Objekte sehen, die nur die halbe Wellenlänge des Lichts haben.“

Benötigen Sie eine Erklärung zum Thema Licht? Lesen Sie: Was ist Licht?

Violette Lichtwellen haben mit einer Wellenlänge von etwa 400 Nanometern (nm) die kürzeste Länge im sichtbaren Licht. Dies wird auch als hochfrequentes sichtbares Licht bezeichnet: Je höher die Frequenz, desto kürzer die Wellenlänge.

Das bedeutet, dass es schwierig ist, etwas zu erkennen, das kleiner als 200 nm ist: Die meisten Moleküle und alle Atome sind viel kleiner.

Eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, besteht darin, nicht sichtbares Licht mit kleineren Wellenlängen zu verwenden.

„Wenn Sie extrem ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 100 Nanometern verwenden, können Sie möglicherweise etwas sehen, das etwa 50 Nanometer groß ist“, sagt Kruk.

Aber Licht mit so kurzen Wellenlängen zu bekommen, ist nicht einfach.

„Es gibt keine natürlichen Quellen für extrem ultraviolettes Licht, und künstliche Quellen sind selten und extrem sperrig und extrem teuer“, sagt Kruk.

Erhalten Sie aktuelle Wissenschaftsgeschichten direkt in Ihren Posteingang.

„Zum Beispiel können Synchrotrons extrem ultraviolettes Licht erzeugen. Aber diese Maschinen können von der Größe eines Raumes bis zur Größe eines Gebäudes oder der Größe einer Kleinstadt reichen. Freie-Elektronen-Laser können extrem ultraviolettes Licht erzeugen, aber auch diese.“ sind sehr große und sehr teure Anlagen.

„Der einzige Weg, den wir heute kennen, um extrem ultraviolettes Licht in der Größe einer Tischplatte oder eines Schuhkartons zu erhalten, ist ein Prozess namens Erzeugung hoher Harmonischer. Und genau das haben wir versucht.“

Die Forscher sind noch nicht bei extrem ultraviolettem Licht angelangt, haben aber gezeigt, dass sie niederfrequente Lichtquellen in höherfrequente umwandeln können.

„Wir begannen mit einer herkömmlichen Lichtquelle, einem Laser – in unserem Fall Infrarot [Licht]“, sagt Kruk.

„Wir strahlen kurze Lichtimpulse vom Laser auf ein einzelnes Nanopartikel. Und das Nanopartikel erzeugt ein Vielfaches der Frequenz dieses Lasers. Es erzeugt die doppelte Frequenz, die dreifache Frequenz, die vierfache Frequenz usw. In unserem Fall.“ bis zur siebenfachen Frequenz wurde festgestellt.“

In Wirklichkeit sah dies so aus, als wäre unsichtbares, niederfrequentes Infrarotlicht sichtbares blaues Licht.

„Wir denken, wenn wir die gleichen Prinzipien auf einen Aufbau anwenden, bei dem wir von einem roten Licht ausgehen und die Frequenz mit dem Faktor sieben multiplizieren, sollten wir zum extremen Ultraviolett gelangen“, sagt Kruk.

„Es ist ein kommerzieller Laser, der ziemlich kompakt und ziemlich erschwinglich sein kann. Und dann wird er aus einem Nanopartikel hergestellt, was ein Novum in unserer Forschung ist. Unser Team hat diese Partikel selbst entworfen und hergestellt.“

Es gibt auch keinen physikalischen Grund, warum sie bei sieben Multiplikationen aufhören müssen – das war einfach die höchste Zahl, die sie mit der von ihnen verwendeten Ausrüstung ermitteln konnten.

Als nächstes wird das Team versuchen, extremes ultraviolettes Licht zu erreichen und zu prüfen, ob es seinen Einsatz praktisch demonstrieren kann.

„Wir interagieren insbesondere mit der School of Medical Research der ANU. Deshalb werden wir versuchen, mit Biologen und medizinischen Forschern zusammenzuarbeiten, um mithilfe dieser Lichtquellen etwas Nützliches zu entdecken“, sagt Kruk.

Kruk glaubt, dass dies etwa drei Jahre dauern würde, oder etwa die Größe eines Forschungsstipendiums oder eines Doktorandenprojekts.

Ursprünglich von Cosmos veröffentlicht als Auf der Suche nach sehr kleinen Dingen sehen Forscher das Licht

Ellen Phiddian ist Wissenschaftsjournalistin bei Cosmos. Sie hat einen BSc (Honours) in Chemie und Wissenschaftskommunikation sowie einen MSc in Wissenschaftskommunikation, beide von der Australian National University.

Es gab noch nie einen wichtigeren Zeitpunkt, um Fakten zu erklären, evidenzbasiertes Wissen zu schätzen und die neuesten wissenschaftlichen, technologischen und technischen Durchbrüche vorzustellen. Cosmos wird von der Royal Institution of Australia herausgegeben, einer Wohltätigkeitsorganisation, die es sich zum Ziel gesetzt hat, Menschen mit der Welt der Wissenschaft zu verbinden. Finanzielle Beiträge, egal wie groß oder klein, helfen uns, den Zugang zu vertrauenswürdigen wissenschaftlichen Informationen zu ermöglichen, und zwar zu einer Zeit, in der die Welt sie am meisten benötigt. Bitte unterstützen Sie uns noch heute mit einer Spende oder dem Erwerb eines Abonnements.