新研究揭示纳米晶体无限期地闪耀和熄灭

隶属于 UNIST 的一个研究团队在揭示超耐光雪崩纳米粒子 (ANP) 的潜力方面取得了重大突破。他们的研究表明，此类粒子可以进行无限的光开关，从而在光学探针、3D 光学存储器和超分辨率显微镜等领域带来新的进步。

这一突破是在蔚山国立科学技术研究院 (UNIST) 化学系Yung Doug Suh 教授及其研究团队与哥伦比亚大学和伯克利实验室的研究人员合作的努力下实现的。此外，韩国的两个国家实验室也参与了这项研究工作。

2021 年，掺杂镧系元素的纳米粒子掀起了波浪——或者更确切地说，是一场雪崩——当时哥伦比亚工程学院Jim Schuck 实验室的博士生 Changwan Lee在 Molecular Foundry 开发的超小晶体中引发了一种极端发光的链式反应在伯克利实验室。现在，那些相同的水晶带着一个新特性回来了：它们可以被有意地和无限期地控制以闪烁。

“我们发现了第一个完全光稳定、完全光开关的纳米粒子——纳米探针设计的圣杯，”机械工程副教授 P. James Schuck 说。

这种特殊材料是在伯克利的 Emory Chan 和 Bruce Cohen 的实验室以及韩国的两个国家实验室合成的。Suh教授的实验室也是该研究团队的领导小组。

圣杯：简单、稳定的电灯开关

有机染料和荧光蛋白广泛用于各种应用，例如光存储、纳米图案化和生物成像。多年来，这些分子为这些领域的重大进步做出了贡献，甚至在 2014 年获得了诺贝尔化学奖。然而，由于它们倾向于在光照下随机闪烁并最终永久消失——这一过程被称为“光漂白。”

相比之下，镧系元素掺杂的纳米粒子表现出出色的光稳定性。Schuck 的实验室已经与他们合作超过 15 年，但从未观察到任何死亡事件，直到 2018 年的一天，Lee 和博士生 Emma Xu 注意到一块晶体在再次亮起之前变暗了。在研究有关可以“光暗化”或“光亮化”的镧系元素光纤的文献后，Lee 发现了可以追溯到 30 年前的文献，这表明可以控制这种闪烁行为。

在他们今天发表在《自然》杂志上的论文中，该团队成功地实现了他们的目标。他们能够使用近红外光在各种周围和水环境中使纳米粒子变暗和变亮一千多次，而没有显示出任何退化迹象。

“我们可以用一种波长的光关闭这些不会发生光漂白的粒子，然后用另一种波长的光重新打开，只需使用普通激光器即可，”Lee 说。值得注意的是，近红外光可以深入穿透生物组织和无机材料，光毒性或散射极小。

奇怪的结果照亮了未来的应用

关于潜在应用，研究团队展示了如何利用这些粒子在 3D 基板上写入和重写图案。这一进步最终可能会增强高密度光学数据存储和计算机内存能力。UNIST Suh 教授提到，“这种不确定的双向光开关纳米晶体可以产生一种全光量子存储设备，用于存储量子计算机产生的大量数据——想想 CD-ROM 和 CD-RW，但速度更快、精度更高巨大的数据存储容量。”

此外，这些粒子具有潜在的无限分辨率，这取决于超分辨率纳米显微镜下探针产生的光子数量。Lee 使用 Suh 教授实验室提供的设备在短短几个小时内就达到了亚埃精度。

该团队将当前工作中观察到的光开关现象归因于原子晶体缺陷太小，甚至连先进的电子显微镜都无法观察到。这些缺陷会使粒子的雪崩阈值向上或向下移动，并且可以使用不同的光波长进行控制以增加或减少信号亮度。

除了在光存储、超分辨率显微镜、生物成像和生物传感方面寻求潜在应用外，该团队还在分子铸造厂使用纳米粒子合成机器人以及机器学习和计算模型来进一步增强这些晶体。他们还旨在研究是否可以生产其他显示类似光开关特性的纳米粒子。

Cohen 对整个研究表示惊讶，因为自从他 2009 年的论文恰好也被 2009 年 Suh 教授独立且同时发表的论文报道后，他们的团队和 Suh 教授一直声称这类纳米粒子不会在同时打开和关闭正是在这里学习。他们发现的关于这些纳米粒子的一个重要结果是，有时通过说“我们发现这些纳米粒子的其中一件事就是接受奇怪的结果”来接受不寻常的结果是多么重要。