纳米晶体无限期地亮灭

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引发了一条极端的发光链来自伯克利实验室分子铸造厂开发的超小晶体的反应。那些相同的水晶眨眼又回来了，现在可以有意地和无限期地控制它们。

“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，”机械工程副教授舒克说。

这种独特的材料是在分子铸造厂的Emory Chan和Bruce Cohen的实验室、劳伦斯伯克利国家实验室以及韩国的国家实验室合成的。研究团队还包括Yung Doug Suh在蔚山国立科学技术研究院 (UNIST) 的实验室。

圣杯：简单、稳定的电灯开关

用于光学记忆、纳米图案和生物成像等应用的现有有机染料和荧光蛋白已取得多年突破(并于 2014 年获得诺贝尔化学奖)，但这些分子的寿命有限。光照后，大多数会开始随机闪烁，最终会永久变暗，或“光漂白”。

相比之下，镧系元素掺杂的纳米粒子表现出显着的光稳定性。在他的实验室与他们一起工作超过 15 年的时间里，Schuck 指出他们从未见过一个人死去。直到 2018 年的某一天，Lee 和博士生 Emma Xu 观察到一块晶体变暗，然后又重新亮起。Lee 深入研究文献，发现 30 年前就提到可以“光暗化”和“光亮化”的镧系元素光纤——这表明闪烁行为是可以控制的。

在今天发表在《自然》杂志上的一篇新论文中，该团队就是这样做的。他们使用近红外光，在不同的周围环境和水环境中使纳米粒子变暗和变亮超过一千次，而没有任何退化迹象。

“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，近红外光可以以最小的散射或光毒性深入无机材料和生物组织。

奇怪的结果照亮了未来的应用

着眼于潜在的应用，该团队展示了如何使用这些粒子将图案写入和重写到 3D 基板上，这有朝一日可以改善高密度光学数据存储和计算机内存。

“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，但更快、更精确，”Suh 说。

这些粒子还提供潜在的无限分辨率，这取决于超分辨率纳米显微镜下探针产生的光子数量。使用 Suh 实验室的设备，Lee 仅在几个小时内就达到了亚埃级精度。