Світловипромінювальні білки - основа низькоенергетичних лазерів нового типу


Акції та знижки відомих брендів
 

Акції та знижки відомих брендів! Детальніше...


У той час коли природа створювала медузи, вона менше всього «думала» про лазери. Але вже так вийшло, що деякі види цих морських тварин містять речовину, що якнайкраще підходить для виготовлення нових типів лазерів. Для таких лазерів потрібно зовсім небагато електроенергії, а працювати вони можуть, навіть при кімнатній температурі.

У якості активного матеріалу робочого тіла поляритонного лазера вчені із Шотландії та Германії використовували зелений флуоресцентний білок (green fluorescent protein, GFP). Цей матеріал був виділений із певного виду медуз. Лазер такого типу може використовуватися у якості мітки ракових пухлин або у якості одного із компонентів оптичної логіки, яка вбудовується на кристали сучасних процесорів. «Природа дала в наші руки матеріал, що має низку властивостей, які роблять його надзвичайно корисним для створення різних оптоелектронних пристроїв» — розповідає Мейлт Гетер (Malte Gather), професор фізики з університету Св. Ендрю, Шотландія.

Поляритонні лазери працюють трішки по іншому ніж традиційні. Основою принципу їх роботи являються поляритони, квазічастинки, що складаються із пари електрон-дірка (екситон) і фотона. Коли енергія із зовнішнього джерела «накачується» в таку систему, щільність поляритонів стає настільки високою, що вони починають зіштовхуватися один із одним та випромінювати замкнуті в них фотони світла. А синхронізація руху та руйнування поляритонів забезпечує те, що промінь випромінюваного світла має всі ознаки променя лазерного світла, тобто характеризується монохроматичністю та відповідною поляризацією. 

При цьому для випромінення світла поляритонним лазером потрібна енергія набагато менша, ніж потрібна для роботи звичайного лазера. Все це тому, що для перетворення світла не потрібно ніякого перетворення енергії одного виду в інший.

Основною проблемою поляритонних лазерів являється те, що ексітони є дуже нестабільними квазічастинками і мають тенденцію зіштовхнутися одна з одною, що призводить до їх швидкого знищення. Для попередження такої проблеми вчені охолоджували поляритонні лазери до кріогенних температур. Та все це призводить до ускладнення і подорожчання пристрою в цілому.

Ще одним способом вирішення даної проблеми стало використання GFP-білка, який був отриманий за допомогою технологій генної інженерії і який здатен світитися більш яскраво ніж аналогічний білок природного походження. Вчені створили резонансну лазерну порожнину помістивши плівку білка GFP-500, товщина якої вимірюється нанометрами, між двома дзеркалами. Молекули білка GFP-500 являють собою «зв’язки» маленьких циліндрів, які складаються із 11 атомних шарів. Світлочутлива частина цього білка схована всередині цих циліндрів, таким чином ексітони, які там циркулюють ізольовані від ексітонів в інших частинах молекули. Завдяки цьому вони не мають можливості знищувати один одного.

Даний лазер являється не першим поляритонним лазером, що може працювати при кімнатній температурі. Але біологічна основа такого лазера робить його більш біологічно сумісним ніж його напівпровідниковий аналог. Такі крихітні лазери введені в середину живого організму можуть виступати в ролі біологічних маркерів, які змінюють колір свого свічення у відповідь на генетичні зміни, які відбулися в окремих клітинах. На відміну від маркерів, що є в наявності і які можуть відтворювати лише невелику кількість кольорів, лазерні маркери можуть забезпечити мінімум 5 тисяч відтінків зеленого кольору, даючи вченим у руки більш точний інструмент, що дозволить вивчати зміни та мутації клітин.

Захисти свій комп’ютер та смартфон

ESET NOD32

Найближчим часом ця ж група вчених планує провести вивчення цілого ряду інших матеріалів біологічного походження, які крім зеленого кольору будуть здатні випромінювати світло інших довжин хвиль. І у випадку успіху даних досліджень, такі поляритонні лазери, що використовують білки різних типів та випромінюють світло різних кольорів, можуть бути використані для створ
ення пристроїв відображення інформації і створення більш точних біологічних маркерів і багато ще чого.

Джерело





Залишити відповідь