Cuando las nanovarillas semiconductoras se exponen a la luz, parpadean en un patrón aparentemente aleatorio. Al agrupar nanobarras juntas, Los físicos de la Universidad de Pensilvania han demostrado que su tiempo de "encendido" combinado aumenta drásticamente, lo que proporciona una nueva perspectiva de este misterioso comportamiento de parpadeo.

La investigación fue realizada por el grupo de la profesora asociada Marija Drndic, incluyendo al estudiante de posgrado Siying Wang y los becarios postdoctorales Claudia Querner y Tali Dadosh, todo el Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Artes y Ciencias de Penn. Colaboraron con Catherine Crouch de Swarthmore College y Dmitry Novikov de la Facultad de Medicina de la Universidad de Nueva York.

Su investigación fue publicada en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

Cuando se le proporciona energía, ya sea en forma de luz, electricidad o ciertos productos químicos, muchos semiconductores emiten luz. Este principio actúa en diodos emisores de luz, o LED, que se encuentran en cualquier número de productos electrónicos de consumo.

A escala macro, esta electroluminiscencia es constante; Bombillas LED, por ejemplo, puede brillar durante años con una fracción de la energía que utilizan incluso las bombillas fluorescentes compactas. Pero cuando los semiconductores se reducen a un tamaño nanométrico, en lugar de brillar constantemente, se "encienden" y "apagan" de manera impredecible, cambiar entre emitir luz y estar oscuro durante períodos de tiempo variables. Durante la década transcurrida desde que se observó esto, muchos grupos de investigación de todo el mundo han tratado de descubrir el mecanismo de este fenómeno, que todavía no se comprende del todo.

"El parpadeo se ha estudiado en muchos materiales a nanoescala diferentes durante más de una década, ya que es sorprendente e intrigante, pero son las estadísticas del parpadeo las que son tan inusuales, ", Dijo Drndic." Estas nanobarras pueden estar 'encendidas' y 'apagadas' en todas las escalas de tiempo, desde un microsegundo hasta horas. Por eso trabajamos con Dmitry Novikov, que estudia fenómenos estocásticos en sistemas físicos y biológicos. Estas inusuales estadísticas de Levi surgen cuando muchos factores compiten entre sí en diferentes escalas de tiempo, resultando en un comportamiento bastante complejo, con ejemplos que van desde terremotos hasta procesos biológicos y fluctuaciones del mercado de valores ".

Drndic y su equipo de investigación, a través de una combinación de técnicas de imagen, han demostrado que agrupar estos semiconductores de nanobarras aumenta enormemente su tiempo total de "encendido" en una especie de "efecto de fogata". Agregar una barra al grupo tiene un efecto multiplicador en el período de "encendido" del grupo.

"Si pones nanobarras juntas, si cada uno parpadea en raras y breves ráfagas, usted pensaría que el tiempo máximo de 'encendido' para el grupo no será mucho mayor que el de una nanovarilla, dado que sus ráfagas en su mayoría no se superponen, ", Dijo Novikov." Lo que vemos son explosiones 'on' muy prolongadas cuando las nanovarillas están muy juntas, como si se ayudaran a seguir brillando, o 'quema' ".

El grupo de Drndic demostró esto depositando nanobarras de seleniuro de cadmio sobre un sustrato, brillando con un láser azul sobre ellos, luego, tomando video bajo un microscopio óptico para observar la luz roja que emitían las nanobarras. Si bien esa técnica proporcionó datos sobre el tiempo que cada grupo estuvo "encendido, "el equipo necesitaba utilizar microscopía electrónica de transmisión, o TEM, para distinguir a cada individuo, Varilla de 5 nanómetros y medir el tamaño de cada grupo.

Un conjunto de líneas de cuadrícula de oro permitió a los investigadores etiquetar y ubicar grupos de nanobarras individuales. Wang luego superpuso con precisión alrededor de mil imágenes TEM unidas con los datos de luminiscencia que tomó con el microscopio óptico. Los investigadores observaron el "efecto de fogata" en grupos tan pequeños como dos y tan grandes como 110, cuando el clúster adquirió efectivamente propiedades de macroescala y dejó de parpadear por completo.

Si bien aún no se puede identificar el mecanismo exacto que causa esta luminiscencia prolongada, Los hallazgos del equipo de Drndic apoyan la idea de que las interacciones entre los electrones en el cúmulo están en la raíz del efecto.

"Al pasar de un extremo de una nanovarilla al otro, o cambiar de posición de otra manera, Suponemos que los electrones de una barra pueden influir en los de las barras vecinas de manera que mejoren la capacidad de las otras barras para emitir luz. ", Dijo Crouch." Esperamos que nuestros hallazgos den una idea de estas interacciones a nanoescala, además de ayudar a guiar el trabajo futuro para comprender el parpadeo en nanopartículas individuales ".

Como las nanovarillas pueden ser un orden de magnitud más pequeñas que una célula, pero puede emitir una señal que se puede ver con relativa facilidad al microscopio, se han considerado durante mucho tiempo como posibles biomarcadores. Su patrón inconsistente de iluminación, sin embargo, ha limitado su utilidad.

"Los biólogos utilizan nanocristales semiconductores como etiquetas fluorescentes. Una desventaja significativa es que parpadean, "Dijo Drndic." Si el tiempo de emisión puede extenderse a muchos minutos, los hace mucho más utilizables. Con un mayor desarrollo de la síntesis, tal vez los grupos podrían diseñarse como etiquetas mejoradas ".

La investigación futura utilizará conjuntos de nanobarras más ordenados y separaciones entre partículas controladas para estudiar más a fondo los detalles de las interacciones de las partículas.