Koristeći konvencionalne tehnike testiranja, može biti izazovno — ponekad nemoguće — otkriti štetne zagađivače kao što su nanoplastika, zagađivači vazduha i mikrobi u živim organizmima i prirodnim materijalima. Ovi zagađivači se ponekad nalaze u tako malim količinama da testovi nisu u stanju da ih pouzdano pokupe.
Međutim, ovo bi se uskoro moglo promeniti. Nova nanotehnologija (zasnovana na „uvrnutom“ stanju svetlosti) obećava da će olakšati identifikaciju hemijskog sastava nečistoća i njihovog geometrijskog oblika u uzorcima vazduha, tečnosti i živog tkiva.
Međunarodni tim naučnika predvođen fizičarima sa Univerziteta u Batu doprinosi ovoj tehnologiji, koja bi mogla otvoriti put novim metodama praćenja životne sredine i naprednim lekovima. Njihov rad je objavljen u časopisu Advanced Materials.
Nova tehnika detekcije hemikalija zasnovana je na interakciji svetlosti i materije poznatoj kao Ramanov efekat. Ramanov efekat nastaje kada se materijal koji je osvetljen određenom bojom svetlosti rasipa i menja svetlost u mnoštvo malo različitih boja. U suštini proizvodi mini dugu koja zavisi od toga kako atomi unutar materijala vibriraju.
Merenje boja Ramanove duge otkriva pojedinačne atomske veze jer molekularne veze imaju različite vibracione obrasce. Svaka veza unutar materijala proizvodi sopstvenu jedinstvenu promenu boje u odnosu na osvetljenje. Sve u svemu, boje u Ramanskoj dugi služe za otkrivanje, analizu i praćenje hemijskog sastava (hemijskih veza) složenih molekula, kao što su oni koji se nalaze u mešavinama zagađivača životne sredine.
„Ramanov efekat služi za otkrivanje pesticida, farmaceutskih proizvoda, antibiotika, teških metala, patogena i bakterija. Takođe se koristi za analizu pojedinačnih atmosferskih aerosola koji utiču na zdravlje ljudi i klimu“, rekao je dr Robin Džons sa Odeljenja za fiziku u Batu, koji je prvi-autor studije.
Proširujući, koautor profesor Livu Zhang sa Odsjeka za nauku o životnoj sredini na Univerzitetu Fudan u Kini, rekao je: „Zagađivači vode, čak iu količinama u tragovima, mogu se akumulirati u živim organizmima kroz biološki lanac. Ovo predstavlja prijetnju ljudskom zdravlju, dobrobiti životinja i divlje životinje. Generalno, zaista je teško tačno znati koji je hemijski sastav složenih smeša.“
Profesor Vencislav Valev iz Bata, koji je vodio studiju, dodao je: „Razumevanje kompleksnih, potencijalno štetnih zagađivača u životnoj sredini je neophodno, kako bismo naučili kako da ih razložimo na bezopasne komponente. Ali nije sve u tome koji su atomi Način na koji su atomi raspoređeni je veoma važan – može biti odlučujući za to kako molekuli deluju, posebno unutar živih organizama.
„Naš rad ima za cilj da razvije nove načine na koje nam Ramanov efekat može reći o načinu na koji su atomi raspoređeni u svemiru i sada smo preduzeli važan tehnološki korak koristeći male antene u obliku spirale napravljene od zlata.“
Ramanov efekat je veoma slab — samo jedan od 1.000.000 fotona (svetlosnih čestica) podleže promeni boje. Da bi ga poboljšali, naučnici koriste minijaturne antene proizvedene na nanorazmeri koje usmeravaju upadnu svetlost u molekule. Često su ove antene napravljene od plemenitih metala i njihov dizajn je ograničen mogućnostima nanofabrikacije.
Tim u Bathu je koristio najmanje spiralne antene ikada korišćene: njihova dužina je 700 puta manja od debljine ljudske kose, a širina antena je 2.800 puta manja. Ove antene su od zlata napravili naučnici u timu profesora Peer Fišera sa Univerziteta u Štutgartu u Nemačkoj.
„Naša merenja pokazuju da ove spiralne antene pomažu da se iz molekula izvuče mnogo fotona Raman duge“, rekao je dr Džons. „Ali što je još važnije, spiralni oblik povećava razliku između dve vrste svetlosti koje se često koriste za ispitivanje geometrije molekula. One su poznate kao kružno polarizovano svetlo.
„Kružno polarizovana svetlost može biti levoruka ili desnoruka i naši helisi mogu, u suštini, da se rukuju svetlošću. I pošto možemo da nateramo spirale da se uvijaju ulevo ili udesno, rukovanje svetlošću koje smo osmislili može biti oboje levom ili desnom rukom“.
„Iako su takva rukovanja primećena i ranije, ključni napredak ovde je to što smo po prvi put pokazali da to osećaju molekuli, jer utiče na njihovu Ramanovu dugu. Ovo je važan korak koji će nam omogućiti da efikasno i pouzdano razlikujemo molekuli leve i desne ruke, prvo u laboratoriji, a zatim u okruženju.“
Da bi pokazali da se novo rukovanje između svetlosti i antena može preneti na molekule, istraživači su koristili molekule – kristalno ljubičastu – koji nisu u stanju da se sami ‘rukuju’ sa svetlom. Ipak, ovi molekuli su se ponašali kao da mogu da obavljaju ovu funkciju, izražavajući sposobnost ‘rukovanja’ zlatnih nanoheliksa za koje su bili vezani.
„Još jedan važan aspekt našeg rada ovde je to što smo radili sa dva industrijska partnera“, rekao je profesor Valev. „VSParticle proizvodi standardne nanomaterijale za merenje Ramanove svetlosti. Imati zajedničke standarde je zaista važno za istraživače širom sveta da bi mogli da uporede rezultate.“
On je dodao: „Naš industrijski partner Renishav PLC je vodeći svetski proizvođač opreme za Ramanovu spektroskopiju i mikroskopiju. Takva partnerstva su neophodna, tako da nova tehnologija može da se preseli iz laboratorija u stvarni svet, gde su ekološki izazovi. “
Nadovezujući se na ovaj rad, tim sada radi na razvoju naprednijih oblika Raman tehnologija.
Više informacija: Robin R. Jones i saradnici, Gusti nizovi nanoheliksa: Ramanovo rasejanje od ahiralnih molekula otkriva poboljšanja bliskog polja na hiralnim metapovršinama, Napredni materijali (2023). DOI: 10.1002/adma.202209282
Informacije o časopisu: Napredni materijali
Obezbeđuje Univerzitet u Batu
Istražite dalje
