Tarp pasaulyje vykstančios galybės mokslinių eksperimentų svarbią dalį užima fluorescenciniai dalelių tyrimai. Šis metodas leidžia matyti ir tirti mažyčius objektus, tokius kaip nanodariniai, molekulės ar ląstelės, kurios paprastai būtų nematomos. 
Tarp pasaulyje vykstančios galybės mokslinių eksperimentų svarbią dalį užima fluorescenciniai dalelių tyrimai. Šis metodas leidžia matyti ir tirti mažyčius objektus, tokius kaip nanodariniai, molekulės ar ląstelės, kurios paprastai būtų nematomos.
Fluorescencija, arba švytėjimas, įvyksta, kai tam tikros norimos dalelės medžiagoje yra nudažomos specialiu dažu – o paskui tirpale, milteliuose, dujose ploname medžiagos sluoksnyje ar kristale, pašvietus lazeriu, pradeda švytėti ir matytis mokslininkams.
Šis metodas leidžia „pažymėti“ konkrečias molekules ar ląsteles, aptikti labai mažus medžiagų kiekius – todėl fluorescencija labai svarbi nanotechnologijose, medicinoje, biologijoje ir kitose mokslo srityje.
Žinoma, kaip ir visur, taip ir čia yra nemažai iššūkių – ir juos bando spręsti FTMC Lazerinių technologijų skyriaus Plazmonikos ir nanofotonikos laboratorijos fizikai, kurie neseniai publikavo straipsnį prestižiniame mokslo žurnale „Nanophotonics“. Autoriai – FTMC mokslininkai Justina Anulytė, dr. Vytautas Žičkus, dr. Ernesta Bužavaitė-Vertelienė ir prof. dr. Zigmas Balevičius kartu su Glazgo universiteto Ekstremaliosios šviesos grupės vadovu prof. Danielle‘iu Faccio.
FTMC Lazerinių technologijų skyriaus Plazmonikos ir nanofotonikos laboratorijos darbuotojai dokt. Justina Anulytė, prof. dr. Zigmas Balevičius ir dr. Ernesta Bužavaitė-Vertelienė. Hernandez & Sorokina / FTMC nuotrauka
Straipsnio pavadinimas ne iš lengvųjų: „Stiprios sąveikos režimo tarp eksitono ir plazmono įtaka fotobalinimo slopinimui“. Pabandykime išsiaiškinti, ką tai reiškia ir kuo tai svarbu.
Kaip išsaugoti „gęstančias“ daleles?
Mūsų aptariamame lietuvių tyrime nagrinėjama, kaip stiprios sąveikos režimas (angl. strong coupling regime), įvykstantis tarp paviršinių plazmonų poliaritonų (SPP) ir eksitonų, daro įtaką dalelių fluorescencijos gyvenimo trukmei ir fotobalinimo efektams. Kas tai yra?
Pradėkime nuo stiprios sąveikos režimo. Paprastai kalbant, tai yra situacija, kai dvi sistemos, pavyzdžiui, šviesa ir medžiaga (arba dvi skirtingos kvazidalelės) pradeda labai stipriai sąveikauti tarpusavyje. Kai taip atsitinka, jos taip greitai keičiasi energija viena su kita, kad pradeda elgtis praktiškai kaip vienas sujungtas darinys, o ne kaip dvi atskiros sistemos. Kažkas panašaus į jaunus įsimylėjėlius, kurie negali atsiplėšti vienas nuo kito.
Einame toliau.
„SPP yra paviršinės elektromagnetinės bangos ant plonų metalo sluoksnių. Kad tai suprastume, galėtume įsivaizduoti ratilus ant vandens paviršiaus – tai būtų mechaninė paviršinė banga, esanti tarp vandens ir oro. Mūsų tiriamų elektromagnetinių bangų atveju, SPP yra panašūs „ratilai“ tarp metalo ir oro“, – paaiškina pagrindinė straipsnio autorė, FTMC Lazerinių technologijų skyriaus doktorantė Justina Anulytė.
FTMC Lazerinių technologijų skyriaus doktorantė Justina Anulytė. Hernandez & Sorokina / FTMC nuotrauka
O kas yra eksitonas? Tai – savotiška mažyčių elementų „pora“, kurią sudaro šviesos dalelė fotonas ir laboratorijoje tiriama medžiaga. Dėl neseniai mūsų aptarto stiprios sąveikos režimo, šios dvi dalelės yra tam tikru būdu susijungusios – ir išlieka arti viena kitos.
Taigi, SPP – speciali banga tarp metalo ir oro, eksitonas – mažytis „darinys“, kuriame susijungė fotonas ir tiriama medžiaga.
Kas vyksta toliau? „SPP ir eksitonas, šios dvi kvazidalelės, susijungia į plazmono-eksitono poliaritoninę būseną. Tai reiškia, kad šioje naujoje kvazibūsenoje pasireiškia iš dalies plazmono (SPP), iš dalies eksitono savybės – ir negalime jų atskirti, jos abidvi veikia kartu. Ir per labai trumpą akimirksnį (femto ar pikosekundes) be nuostolių keičiasi tarpusavio energija. Kad toks „duetas“ egzistuotų, tam reikia pasiekti specialias sąlygas, kuriose pasireiškia stiprios sąveikos režimas“, – pasakoja J. Anulytė.
Eksitonas gali išspinduliuoti šviesą (fluorescuoti), jei jį sužadiname lazerio spinduliu ar tiesiog paprasta balta šviesa. Tačiau čia dažnai nutinka bėda: kai eksitonas patenka į energetinę būseną su aplinkos sužadintu deguonimi, įvyksta vadinamasis fotobalinimas: laikui bėgant vis mažėja šviesos intensyvumas. Kodėl? Nes dėl fotobalinimo, lazeriu sužadintos dalelės viena po kitos „išsijungia“, t. y. nebešvyti.
Lazeris, naudojamas FTMC Lazerinių technologijų skyriaus Plazmonikos ir nanofotonikos laboratorijoje. Hernandez & Sorokina / FTMC nuotrauka
Dar nepavargot? Priėjome prie paties svarbiausio dalyko: eksitonų švytėjimas reikalingas moksliniams eksperimentams – tad labai svarbu kuo ilgiau išlaikyti jų skleidžiamą šviesą. Ir čia pasitarnauja mūsų mokslininkų ištobulinta „trečioji“, plazmono-eksitono poliaritoninė, būsena: kai eksitonai su SPP (prisiminkime, tai – paviršinės elektromagnetinės bangos) sujungiami esant stiprios sąveikos režimui, norimas dalelių fluorescencijos šviesos intensyvumas išsilaiko nuo kelių iki netgi dešimčių kartų ilgiau.
Apibendrinant labai paprastai: FMTC ir Glazgo universiteto komanda sukūrė metodą, kuris leidžia specialių dažų, lazerio ir stiprios sąveikos režimo pagalba ilgiau išlaikyti stebimų dalelių švytėjimą.
Reikšmingi pasiekimai
O dabar tegu kalba pagrindinė tyrimo autorė dokt. Justina Anulytė:
„Mūsų eksperimentui įgyvendinti suformavome struktūrą, sudarytą iš nanometrinių (milijoninės milimetro dalies) sidabro ir aukso sluoksnių, taip pat panaudojome švytėjimą sukeliančių Rodamino 6G dažų sluoksnį.
Mūsų struktūra parodė aiškų plazmonų rezonanso ir R6G absorbcijos linijų poslinkį keičiant šviesos kritimo kampą, o tai savo ruožtu parodo stiprią sąveiką tarp plazmono ir eksitono, kurio išmatuotas sąveikos stiprumas siekia maždaug 90 milielektronvoltų.
Fluorescencijos gyvenimo trukmės vaizdinimo mikroskopija (FLIM) parodė, kad naudojant poliaritonines nanostruktūras, kuriose plazmonai ir eksitonai veikia stiprios sąveikos režime, fluorescencijos intensyvumas išlieka maždaug 25 proc. stipresnis, o Rodamino dažo organinės molekulės yra maždaug šešis kartus mažiau fotobalinamos.“
Pasak jaunosios mokslininkės, jos ir kolegų išvados įrodo esminį stiprios sąveikos režimo tarp šviesos ir organinės medžiagos vaidmenį mažinant fotobalinimo efektą ir stabilizuojant fluorescencijos (dalelių švytėjimo) intensyvumą.
Turbūt po viso šito jums kyla natūralus klausimas: o kas iš to? Atsakymas labai intriguojantis: šis metodas siūlo daug žadančių būdų, kaip sukurti bei tobulinti kvantinius įrenginius, tokius kaip kvantiniai biojutikliai, kvantiniai nanolazeriai – ar vystyti kvantinį informacijos apdorojimą, kuris mūsų kompiuteriją ir kitas technologijas pakeltų į visiškai naują lygį.
Leidinys, kuriame publikuotis – rimtas darbas
FTMC Lazerinių technologijų skyriaus ir Glazgo universiteto fizikas dr. Vytautas Žičkus. Asmeninio archyvo nuotrauka
Lietuvių ir italo atlikto darbo svarbą įrodo ir tai, kad jiems pavyko savo atradimus publikuoti minėtame tarptautiniame mokslo žurnale „Nanophotonics“ – bet kokie straipsniai ten nepatenka.
Daugiausia dėmesio žurnalo redaktoriai skiria fotonų (šviesos dalelių) sąveikai su nanostruktūromis, tokiomis kaip anglies nanovamzdeliai, metalo nanodalelės, nanokristalai, fotoniniai kristalai, biologiniai audiniai ir DNR. Daug mokslinių tyrimų rezultatų spausdinama plazmonikos, nanolazerių, šviesos sąveikos su medžiaga, šviesos valdymo nanometriniame lygyje temomis.
Žurnalo cituojamumo rodiklis – 6,5. Ką tai reiškia? Pagal statistiką, vos 5 procentai mokslo žurnalų visame pasaulyje yra pasiekę 6 ar daugiau tokių balų lygį. O tai jau nemažai pasako.
„Publikuoti savo mokslinius rezultatus šiame žurnale nėra paprasta. „Nanophotonics“ kviečia aukštos klasifikacijos mokslininkus recenzuoti jiems atsiųstus straipsnių juodraščius, todėl recenzijos būna išties gilios ir kvalifikuotos. Iš kitos pusės, būtent už tai mokslinėje visuomenėje šis žurnalas yra vertinamas.
Mūsų atveju, gavome labai išsamias recenzijas, praėjome net kelis etapus. Susidūrėme su nemažai iššūkių atsakinėdami į recenzentų klausimus. Teko net papildyti straipsnį naujais matavimais bei modeliavimais. Visas šis procesas buvo nelengvas – tačiau buvo malonu diskutuoti su aukščiausio lygio mokslininkais, gauti teigiamą savo rezultatų įvertinimą ir, manau, jų patarimai mūsų darbą padarė svaresnį bei patrauklesnį skaitytojui“, – sako fizikė J. Anulytė.
Jautresnių ir patikimesnių jutiklių link
Tai – toli gražu ne vieninteliai eksperimentai, kuriais užsiima FTMC Plazmonikos ir nanofotonikos laboratorija. Čia vykdomi fundamentiniai bei taikomieji moksliniai tyrimai, susiję su šviesos valdymu be galo mažytėse – nanometrinėse – struktūrose; siekiama tokį šviesos valdymą pritaikyti nanolazeriams, optiniams biojutikliams, nanobangolaidžiams bei įvairiems optiniams grandynams (sistemoms, kuriose šviesos pavidalu perduodama informacija).
„Tam kad būtų galima valdyti šviesą nanometriniuose matmenyse, ją reikia sufokusuoti į mažesnius nei difrakcijos riba matmenis (difrakcijos riba yra fizinis apribojimas, kuris nustato, kokio mažiausio dydžio objektus galima aiškiai matyti naudojant optinius prietaisus, pavyzdžiui, mikroskopus ar teleskopus).
Tai yra pasiekiama lazerine šviesa žadinant įvairius paviršinių elektromagnetinių bangų rezonansinius reiškinius, tokius kaip paviršinių plazmonų rezonansas, Blocho paviršinės bangos ar panašius. Tai daroma tiek metalinėse, tiek dielektrinėse (elektrai nelaidžiose) nanostruktūrose.
Vėliau šios optinės savybės naudojamos įvairiuose taikymuose, kaip, pavyzdžiui, plazmoniniai biojutikliai. Mūsų laboratorijoje išvystyta matavimo metodika – visiško vidaus atspindžio elipsometrija kuri naudojama nustatyti antikūno-antigeno sąveikos kinetikos greičiams (tai yra imunojutiklių pagrindas), kas mūsų kolegų biochemikų vėliau naudojama kurti įvairius farmacinės paskirties preparatus“, – pasakoja laboratorijos vadovas prof. dr. Zigmas Balevičius.
Jo komanda siekia, kad šie jutikliai būtų kuo jautresni ir patikimesni – o tam ir panaudojami įvairūs fizikos reiškiniai.
