Moleculaire lichtbronnen gevoelig voor omgeving

Een Nederlands-Frans team van wetenschappers onder leiding van FOM-onderzoeker dr. Danang Birowosuto en FOM-werkgroepleider dr. Alard Mosk 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 deze maand on-line in het 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. 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 andere juist minder. 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.

 

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.

 

http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.105.013904