2 miesiące temu

Naukowcy odkryli nową formę światła

„Zobaczyliśmy nowy sposób funkcjonowania wszechświata, którego nie znaliśmy do tej pory”.

liptak800x400

Doktoranta UVM Morgan Cousins trzyma fiolkę z barwnikiem zawierającego bor. Po prawej profesor Matt Liptak. Zdjęcie: Joshua Brown / UVM

Fluorescencyjne farby, świecące ryby morskie, żarówki ledowe – wszystkie wykazują się jakąś formą luminescencji. Zamiast jedynie odbijać światło wytwarzają własne. Naukowcy z University of Vermont (UVM) i Dartmouth College odkryli nowy sposób wytwarzania luminescencyjnego blasku przez cząsteczki.

„To nowa metoda powstawania światła” tłumaczy Matthew Liptak chemik z UVM. Może mieć wiele zastosowań w codziennym życiu począwszy od nowatorskich żarówek LED do barwników medycznych – może bowiem „wyczuć lepkość w komórce”.

Wyjaśniając jak działa nowy rodzaj światła naukowcy odwołują się do przykładu syropu klonowego.

Naukowcy skupili się na badaniu małych cząsteczek zwanych śrubami molekularnymi, które przypominają swoim kształtem śrubę okrętową. Mieszając się z cieczą taką jak np. woda, wydzielają słabe czerwone światło.

Gdy umieszczono cząsteczki w gęstszym roztworze – podobnym do syropu klonowego (w tym wypadku mieszaniny gliceryny i glikolu etylowego) – światło generowane przez wirniki nie słabło lecz zaczynało świecić w jasnym, zielonym kolorze, bliskim niebieskiego końca spectrum światła (zobacz film).

Wyniki te były na tyle zaskakujące, że naukowcy z Dartmouth zwrócili się z prośbą o konsultację do Uniwersytetu w Vermont. Oba zespoły dalej badały cząsteczki z wykorzystaniem spektroskopii i innych technik laboratoryjnych – dochodząc do jeszcze bardziej zaskakującego odkrycia: sposób w jaki światło było emitowane wymagało złamania chemicznego prawa Wawiłowa!

„Zobaczyliśmy nowy sposób funkcjonowania wszechświata, którego nie znaliśmy do te pory. To jest wyjątek od znanych reguł”.

Wszystko co widzimy przyjmuje kolor, ponieważ cząsteczki materii pochłaniają część fal światła. W niektórych przypadkach cząsteczka świeci w ciemności emitując światło, które wcześniej pochłonęła – tym jest luminescencja.

W 1950 roku chemik Michael Kasha zauważył, że cząsteczki luminescencyjne zwykle emitują kolor niezależnie od koloru światła, które pochłonęły.

„To dlatego, że pierwszym krokiem po absorpcji światła jest relaksacja molekularna – gwałtowne drganie, rozciąganie i uwalnianie ciepła z cząsteczki aby uzyskać jej „najniższy stan energetycznego wzbudzenia” – wyjaśnia Liptak.

Więc kiedy cząsteczka luminescencyjna pochłania cząsteczki światła o wysokiej częstotliwości, bliskie niebieskiego końca spektrum, produkuje więcej ciepła, a nie jaśniejsze lub różnokolorowe luminescencyjne światło.

„To jest prawo Wawiłowa” tłumaczy Liptak.

Jednak obydwa zespoły naukowców stwierdziły, że gdy śruby molekularne są w gęstym roztworze, gdzie zdolność do drgań jest ograniczona, emitują one światło zanim zostaną wywołane wibracje. Im gęstszy roztwór, tym mniej obracają się molekularne śruby, tym więcej światła jest emitowane.

Aby wyjaśnić ten proces Liptak sięga po kolejny przykład.

„Wyobraźmy sobie dwie zjeżdżalnie prowadzące do basenu – jedna umieszczona kilka metrów nad taflą wody a druga na jej poziomie. W przypadku rozrzedzonych roztworów (np. wody) cząsteczki pędzą w kierunku końca rury, by finalnie wpaść do wody powodując gwałtowny plusk. W roztworach o dużej gęstości cząsteczki są spowalniane przez co woda z rury wlewa się do basenu tworząc wodospad, a w przypadku cząsteczek, emitując zielone światło”.

Ze względu na swoją wrażliwość na lepszość, związek może mieć wiele interesujących zastosowań.

„Widzimy jego przyszłe zastosowanie w materiałach przemysłowych, nowych rodzajach żarówek lub do obrazowania medycznego”.

Substancja może być stosowana w diagnostyce. Światło może wskazywać gęstsze obszary w naszych komórkach.

„Lepkość jest bowiem fundamentalną właściwością systemów biologicznych, na którą obecnie jesteśmy przeważnie ślepi” komentuje Liptak. „Nowe odkrycie może jednak rzucić nieco światła na tę kwestię”.

Źródło:
The University of Vermont