Lanterna Nano permite noi aplicații de lumină – cum ar fi detectarea virusului

din

Schema a trei nano lanterne diferite pentru generarea razelor de lumină focalizate, largi și cu aer condiționat. Fiecare lanternă poate avea aplicații diferite. Credit: Robin Singh

Proiectarea sistemelor optice miniaturale ar putea duce la viitoare telefoane mobile care pot detecta viruși și multe altele.

În munca care ar putea transforma într-o zi telefoanele mobile în senzori capabili să detecteze viruși și alte obiecte mici, cu cercetatorii au construit o lanterna puternica la scara nanometrica pe un cip.

Abordarea lor de a proiecta micul fascicul de lumină pe un cip poate fi, de asemenea, utilizată pentru a crea o varietate de alte lanterne nano cu caracteristici diferite ale fasciculului pentru diferite aplicații. Gândiți-vă la un reflector larg față de un fascicul de lumină concentrat pe un singur punct.

Timp de multe decenii, oamenii de știință au folosit lumina pentru a identifica un material observând modul în care acea lumină interacționează cu materialul. Acestea fac acest lucru iluminând practic o rază de lumină pe material, apoi analizând acea lumină după ce aceasta trece prin material. Deoarece toate materialele interacționează cu lumina diferit, o analiză a luminii care trece prin material oferă un fel de „amprentă digitală” pentru acel material. Imaginați-vă că faceți acest lucru pentru mai multe culori – adică unele lungimi de undă ale luminii – și capturați interacțiunea luminii cu materialul pentru fiecare culoare. Acest lucru ar duce la o amprentă care este și mai detaliată.

Anu Agarwal

Anu Agarwal este unul dintre cercetătorii de frunte implicați în dezvoltarea unei lanterne nano. Credit: Fotografie prin amabilitatea lui Anu Agarwal

Majoritatea instrumentelor pentru a face acest lucru, cunoscute sub numele de spectrometre, sunt relativ mari. A le face mult mai mici ar avea o serie de avantaje. De exemplu, acestea pot fi portabile și pot avea aplicații suplimentare (imaginați-vă un telefon mobil futurist încărcat cu un senzor independent pentru un anumit gaz). Cu toate acestea, pe măsură ce cercetătorii au făcut pași mari spre minimizarea senzorului pentru detectarea și analiza luminii care a trecut printr-un anumit material, un fascicul de lumină – sau lanternă – miniaturizat și format în mod corespunzător – rămâne o provocare. Astăzi, acel fascicul de lumină este furnizat cel mai adesea de dispozitive macroscopice, cum ar fi un sistem laser care nu este integrat în cipul în sine, cum ar fi senzorii.

Senzor complet

Prezentați lucrarea MIT. În ultimele două lucrări din Rapoarte științifice despre natură, cercetătorii descriu nu numai abordarea lor de a proiecta lanterna de pe cip cu o varietate de caracteristici ale fasciculului, ci raportează și construcția și testarea cu succes a unui prototip. Foarte important, au creat dispozitivul folosind tehnologiile de fabricație existente cunoscute industriei microelectronice, așa că sunt încrezători că accesul poate fi implementat la scară masivă cu cel mai mic cost pe care îl implică.

În general, acest lucru ar putea permite industriei să creeze un senzor complet pe o sursă de lumină și pe un detector. Ca rezultat, lucrarea reprezintă o descoperire semnificativă în utilizarea fotonicii de siliciu pentru a manipula undele luminoase în microcipuri pentru aplicații de senzori.

„Fotonica din siliciu are atât de mult potențial de a îmbunătăți și minimiza schemele de biosensare la scară existente. Avem nevoie doar de strategii de proiectare mai inteligente pentru a exploata întregul său potențial. Această lucrare arată o astfel de abordare ”, spune doctorandul Robin Singh SM ’18, care este autorul principal al ambelor lucrări.

„Această lucrare este semnificativă și reprezintă o nouă paradigmă a proiectării dispozitivelor fotonice, permițând îmbunătățiri în manipularea razelor optice”, a spus Dawn Tan, profesor asociat la Universitatea de Tehnologie și Proiectare din Singapore, care nu a fost implicat în cercetare.

Robin Singh

Robin Singh este unul dintre principalii cercetători implicați în dezvoltarea unei lanterne nano. Credit: Fotografie prin amabilitatea lui Robin Singh

Vechii co-autori din prima lucrare sunt Anuradha “Anu” Murthy Agarwal, un om de știință de cercetare la Laboratorul de Cercetare a Materialelor MIT, Centrul pentru Microfotonică și Inițiativa de Cunoaștere și Inovare în Producție; și Brian W. Anthony, cercetător principal în cadrul Departamentului de Inginerie Mecanică al MIT. Coautorii Singh din a doua scrisoare sunt Agarwal; Anthony; Yuqi Nie, acum Universitatea Princeton; și Mingye Gao, student absolvent la Departamentul de Inginerie Electrică și Informatică al MIT.

Cum au făcut-o

Singh și colegii și-au creat modelul general folosind numeroase instrumente de modelare computerizată. Acestea includ abordări convenționale bazate pe fizică implicate în propagarea și manipularea luminii și tehnici mai noi de învățare automată în care computerul este învățat să prezică soluții posibile folosind cantități mari de date. „Dacă arătăm computerului numeroase exemple de nano lanterne, acesta poate învăța cum să producem lanterne mai bune”, spune Anthony. La urma urmei, „atunci putem arăta computerului modelul de lumină pe care îl dorim și ne va spune care ar trebui să fie modelul lanternei”.

Toate aceste instrumente de modelare au avantaje și dezavantaje; împreună au rezultat un design final, optim, care ar putea fi adaptat pentru a crea lanterne cu diferite tipuri de raze de lumină.

Cercetătorii au continuat să utilizeze acest design pentru a crea o lanternă specifică cu un fascicul de aer condiționat sau una în care fasciculele de lumină sunt perfect paralele între ele. Grinzile coloanei sunt cheia unor tipuri de senzori. Energia electrică totală pe care au realizat-o cercetătorii a inclus aproximativ 500 de structuri nano-rectangulare cu dimensiuni diferite, pe care echipa de modelare le-a prezis că ar permite un fascicul cu aer condiționat. Nanostructurile cu dimensiuni diferite ar duce la diferite tipuri de grinzi care la rândul lor sunt cheia pentru alte aplicații.

Mic electric cu un fascicul condiționat lucrat. Nu numai asta, el a furnizat o grindă care era de cinci ori mai puternică decât este posibil cu structurile convenționale. Acest lucru se datorează parțial faptului că „a putea controla mai bine lumina înseamnă că este mai puțin împrăștiată și pierdută”, spune Agarwal.

Singh descrie entuziasmul pe care l-a simțit când a creat prima lanternă. „A fost foarte bine să văd cu microscopul ce am creat pe un computer. Apoi am încercat-o și a funcționat! “

Referințe:

„Proiectarea inversă a meta-structurii fotonice pentru colimarea razelor pe sensibilitatea cipurilor” de Robin Singh, Yuqi Nie, Mingye Gao, Anuradha Murthy Agarwal și Brian W. Anthony, 5 martie 2021 Rapoarte științifice.
DOI: 10.1038 / s41598-021-84841-2

„Proiectarea meta-structurilor optice cu aplicații de inginerie radiațională folosind învățarea aprofundată” de Robin Singh, Anu Agarwal și Brian W. Anthony, 16 noiembrie 2020, Rapoarte științifice.
DOI: 10.1038 / s41598-020-76225-9

Această cercetare a fost susținută, în parte, de Inițiativa Skoltech MOL.

Facilitățile și departamentele MIT suplimentare care fac acest lucru posibil sunt Departamentul de Știința și Ingineria Materialelor, Laboratorul de Cercetare a Materialelor, Institutul de Inginerie și Științe Medicale și MIT.nano.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.