Do czego służą nanofotony?

Nanofotonika zajmuje się badaniem interakcji światło-materia między światłem a obiektami w skali nanometrycznej. Skale długości stosowane w nauce nanofotonicznej cieszą się dużym zainteresowaniem naukowym, ponieważ obiekty tej skali dają nam dostęp do nowych właściwości optycznych i funkcji niedostępnych w materiałach sypkich.

Źródło zdjęcia: asharkyu / Shutterstock.com

Przykłady urządzeń nanofotonicznych obejmują kryształy fotoniczne, falowody i nanofotoniki. Wiele urządzeń nanofotonicznych jest wykonanych ze struktur izolacyjnych lub metalicznych, ponieważ urządzenie zaprojektowano tak, aby wzmacniać interesujące interakcje światło-materia. Często wiąże się to z wytworzeniem rezonansu plazmonicznego, którym można manipulować, aby poprawić poziomy sygnału w eksperymentach w zakresie wykrywania i spektroskopii.

Główne obszary zastosowań nanofotoniki obejmują wykrywanie, przy czym szczególnym obszarem rozwoju jest diagnostyka medyczna w miejscu opieki, technologie wyświetlania oraz optoelektronika lub urządzenia fotowoltaiczne. Oprócz wytwarzanych urządzeń istnieją przykłady nanostruktur fotonicznych w świecie przyrody, w tym skrzydeł motyla i właściwości pawia, które są przykładami kryształów fotonicznych zawierających zespoły nanocząstek.

Technologie nanofotonowe w urządzeniach medycznych

Nanofotony mogą być wykorzystywane zarówno w urządzeniach medycznych z bioczujnikami offline, np. do wykrywania określonych aptamerów DNA w celu zidentyfikowania konkretnej choroby, jak i w urządzeniach przyłóżkowych. W zastosowaniach bioczujnikowych nanourządzenie fotoniczne odczytuje zmianę sygnału, gdy związany jest określony biomarker.

Często nanobioczujniki wykorzystują zmianę fotoodpowiedzi podczas dołączania biomarkera jako wykrywalnego sygnału. Włączenie technologii nanofotonicznych może pomóc poprzez zwiększenie poziomu sygnału związanego ze zdarzeniem wiązania i poprawę czułości, tak aby można było wykryć nawet śladowe ilości biomarkerów.

Diagnostyka point-of-care polega na użyciu przenośnych urządzeń, które można wykorzystać do diagnozy bezpośrednio na pacjencie. Wiele urządzeń omija potrzebę wykonywania bolesnych biopsji i można je połączyć z algorytmami do automatycznej analizy i diagnozy. Ponieważ wiele urządzeń point-of-care jest bardziej przyjaznych dla użytkownika niż specjalistyczne procedury medyczne, takie jak biopsje, i nie wymagają od lekarza pełnej diagnozy, urządzenia point-of-care oparte na nanofotonach są dobrym sposobem na poprawę wydajności w opiece zdrowotnej. Urządzenia te zapewniają również możliwości opieki zdrowotnej w warunkach nieklinicznych.

READ  DBIA - Win This Space powraca i odblokowuje aplikacje!

Inne przykłady urządzeń nanofotonicznych w środowisku medycznym obejmują nanotechnologie do szybkiej diagnozy COVID-19 i wykrywania bakterii Gram-ujemnych.

Wykorzystanie nanotechnologii do kontrolowania światła

Sednem zastosowań fotonicznych jest kontrola i kształtowanie właściwości światła. Wraz z rozwojem optoelektroniki i komunikacji fotonicznej, a także dążeniem do wykorzystania technologii opartych na świetle w zbieraniu energii słonecznej, znalezienie sposobów wydajnego przekształcania światła w energię elektryczną stało się głównym celem postępów naukowych i technologicznych w dziedzinie nanofotoniki .

Urządzenia na bazie krzemu są nadal najpowszechniejszymi i najszerzej stosowanymi dostępnymi technologiami i materiałami ogniw słonecznych. Podczas gdy materiały takie jak perowskit mogą pochwalić się lepszymi przyrostami wydajności od czasu ich początkowego opracowania, ogniwa słoneczne na bazie krzemu okazały się jak dotąd najbardziej praktyczną i opłacalną technologią.

Nanostruktury fotowoltaiczne są obecnie włączane do ogniw słonecznych, zwłaszcza nanocząsteczek metalicznych, w celu zwiększenia wydajności gromadzenia światła i opracowania plazmonicznych ogniw słonecznych. Metaliczne nanocząstki można teraz wytwarzać stosunkowo niedrogo, a ich szerokie i silne widmo absorpcji w szerokim spektrum widma słonecznego czyni je idealnymi do ogniw fotowoltaicznych.

Nanostrukturyzacja ogniw słonecznych to kolejny sposób na poprawę wydajności i struktur zatrzymywania światła, takich jak nanodruty i nanocząstki, które mogą pomóc w usprawnieniu zarządzania światłem. Wzrost wydajności ma kluczowe znaczenie dla możliwości zmniejszenia liczby urządzeń wykorzystujących ogniwa słoneczne, a także umożliwienia realizacji mniejszych obszarów urządzeń.

Inne zastosowania nanofotoniki w kontrolowaniu światła obejmują rozwój technik metalograficznych, które umożliwiają bezprecedensowy poziom kontroli nad skupieniem światła, polaryzacją i innymi właściwościami. Soczewki metaliczne mogą być bardziej kompaktowe niż optyka konwencjonalna i są zaprojektowane tak, aby uniknąć aberracji wiązki, co jest bardzo obiecujące w miniaturyzacji urządzeń w zastosowaniach takich jak spektroskopia i detekcja, a nawet w produkcji urządzeń nanofotonicznych.

Jak wygląda przyszłość nanofotonów?

Jednym z największych wyzwań było wyprodukowanie samych urządzeń nanofotonicznych. Tworzenie obiektów w skali nanometrycznej wymaga technik wytwarzania w nanoskali z nanometrową precyzją i dokładnością.

READ  Boeing Starliner wraca do fabryki zamiast odlecieć w kosmos

Metody takie jak litografia skupionej wiązki jonowej w połączeniu z metodami mikroskopii elektronowej, które mają wystarczającą rozdzielczość przestrzenną do wizualizacji komponentów, były niezbędne do stworzenia niektórych złożonych struktur wymaganych do pełnego wykorzystania efektów nanoskalowych.

Wiele urządzeń nanofotonicznych jest obecnie tworzonych przy użyciu podejścia oddolnego, wykorzystującego osadzanie wiązką jonów w celu stworzenia struktury warstwa po warstwie. Dzięki zastosowaniu interferometrów do stabilizacji położenia źródeł jonów i optyki ogniskowania w celu uzyskania skupionych rozmiarów wiązki poniżej 10 nm, tworzenie złożonych struktur nanofotonicznych staje się coraz bardziej rutynowe, ale wciąż istnieje wiele wyzwań do pokonania.

Bezpośrednie pisanie laserowe to kolejna metoda wytwarzania nanofotonów, która wykorzystuje laser o dużej mocy szczytowej i fotorezyst. Chociaż wiele struktur, w tym złożone materiały chiralne, zostało stworzonych przy użyciu tego podejścia, bezpośrednie pisanie laserowe wciąż stoi przed tym samym wyzwaniem, co wytwarzanie skupionej wiązki jonów przy bardzo małych prędkościach zapisu.

Możliwości wzmocnienia sygnału o rzędy wielkości w zastosowaniach czujnikowych przyczyniły się do znacznego rozwoju w dziedzinie nanofotoniki i będą nadal stymulować podejścia produkcyjne, aby w pełni wykorzystać możliwości oferowane przez czujniki zdolne do wykrywania tylko pojedynczych cząsteczek.

nanofotoniczny. Rewolucja w biosensingu

Referencje i dodatkowe lektury

Dastmalchi, P., A. Haddadpour i G. Veronis. 2014. Nanofotonika: urządzenia do przetwarzania światła w nanoskali. Wydawnictwo Woodhead Limited. http://dx.doi.org/10.1533/9780857098757.376

Starkey, Tim i Pete Vukocic. 2013. „Zasady manipulacji światłem w systemach fotobiologicznych”. Nanofotony 2 (4): 289-307. https://doi.org/10.1515/nanoph-2013-0015

Anker, JN, Hall, WP, Lyandres, O., Shah, NC, Zhao, J., Duyne, R.P. Van. (2008). Biodetekcja z wykorzystaniem nanoczujników plazmonicznych. Materiały przyrodnicze, 7, 442-453. https://doi.org/10.1038/nmat2162

Yager, P., Domingo, GJ i Gerdes, J. (2008). Globalna Diagnostyka Punktów Opieki Zdrowotnej. że. Wielebny Biomed. AD, 10, 107-144. https://doi.org/10.1146/annurev.bioeng.10.061807.160524

Ruiz-Vega, J., Soler, M. i Lechuga, LM (2021). Nano bioczujniki do diagnozowania COVID-19 w punkcie opieki i monitorowania koronawirusa. Fotonika JPhys, 3 (1). https://doi.org/10.1088/2515-7647/abd4ee

READ  Smosh zmodernizował swoje studio oraz siedzibę YouTube i Twitch

Jia, Baohua. 2015. „Krzemowe ogniwa słoneczne w nanoskali: status i przyszłe wyzwania”. Przegląd nanotechnologii 4(4): 337-46. https://doi.org/10.1515/ntrev-2015-0025

Lu, X (2018). Metaleny plazmoniczne do nanowytwarzania. Nat Say Rev., 5(2), 137-138. https://doi.org/10.1093/nsr/nwx135

Manuccio, Mariachiara, Marco Esposito, Adriana Passacio, Massimo Coscon i Vittoriana Tasco. 2021. „Skupione przetwarzanie wiązką jonów trójwymiarowych nanostruktur dla fotoniki chiralnej”. Instrumenty precyzyjne 12:6. https://www.mdpi.com/2072-666X/12/1/6/htm

Zastrzeżenie: Wyrażone tutaj opinie są opiniami autora wyrażonymi w jego osobistym charakterze i niekoniecznie reprezentują opinie AZOM.com Limited T/A AZONetwork jest właścicielem i operatorem tej witryny. Niniejsze wyłączenie odpowiedzialności stanowi część warunków korzystania z tej witryny.

Elise Haynes

„Analityk. Nieuleczalny nerd z bekonu. Przedsiębiorca. Oddany pisarz. Wielokrotnie nagradzany alkoholowy ninja. Subtelnie czarujący czytelnik.”

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

Back to top