تولید میکرو لیزرهای پهن باند چند رنگ

میکروکریستال‌های دارای چارچوب فلزی-آلی (MOF[1]) برای ساخت لیزر پهن‌باند چند رنگ[2] مورد استفاده قرار گرفتند.

شکل 1- طرحواره‌ای از شماتیک رشد رو نشستی همگون تک محوره یا تک جهتی بلورهای  ZJU-68

 

میکرولیزرهای قطبیده‌ی چند رنگ و تک مد[3] دارای دامنه خروجی از نور مرئی تا نزدیک مادون قرمز هستند و کاربردهای قابل توجهی در یکپارچه سازی فوتونیکی، حس‌گری شیمیایی چند حالته یا تصویربرداری دارند. با این‌حال تحقق عملی چنین دستگاه‌هایی بسیار دشوار است.

هُواجان هی به همراه یک تیم تحقیقاتی فیزیک، علوم مواد و شیمی در سنگاپور، چین و ایالات متحده، یک کریستال منفرد چندبخشی، برای ساخت لیزر کنترل شده، تک مد و فروسرخ نزدیک[4] (فروسرخ نزدیک، ناحیه ای از طیف فروسرخ  است که کوتاهترین طول موج‌‌ها را در مجاورت انتهای ناحیه سرخ طیف مرئی  دارد) تولید کردند. قطعه‌های مختلفی از تک کریستال روی یک چارچوب آلی فلزی پایه‎گذاری و با مولکول‌های رنگی مناسب، بر اساس شبیه‎سازی محاسباتی، برای دستیابی به تابش لیزر به رنگ‌‌های سبز، قرمز و “فروسرخ نزدیک” ترکیب شد. مونتاژ چند جزئی مولکول‌ها با رنگ‌‌های مختلف در ریز بلورها باعث شد تا عملکرد یک تشدیدگر کوتاه‌شده به‌دست آید و برای دستیابی به یک لیزر پویا، تک مد و چند رنگ در آستانه تابش سه رنگ (قرمز، سبز وNIR ) به‌کارگرفته‌شود.

این یافته‌ها مسیر تازه‌ای برای کشف میکرو و نانو لیزرهای تک مد که با مهندسی چهارچوب‌‌های آلی فلزی شکل گرفته‌ برای کاربردهای بیوفوتونیک خواهد گشود. این کار به‌تازگی در یکی از نشریات [5]Nature به چاپ رسیده‌است.

سنجش لیزر قطبیده تک مد چند رنگ با چارچوب‌های فلزی- آلی (MOFs):

سنجش یا تصویر برداری لیزر قطبیده، تک مد و چند رنگ، اگر در عمل به‌طور مؤثری توسعه یابند یک فناوری امیدوارکننده تشخیص پزشکی به‌شمار می‌رود. بافت‌ها، سلول‌ها یا مواد شیمیایی بیولوژیکی مختلف دارای واکنش‌‌های نوری، حرارتی و صوتی متفاوت نسبت به طول موج‌‌های مختلف نور هستند. در نتیجه، منبع نور با خروجی چند رنگ پهن باند می‌تواند پایه‌ سنجش یا تصویربرداری چند بعدی یا چند وجهی[6] را فراهم کند. ویژگی‌‌های قطبش نور، شرایط دستیابی به اطلاعات ساختاری غنی از مواد بیولوژیکی را با استفاده از پردازش سیگنال‌های پراکنده به ارمغان می‌آورد. میکرو/نانولیزرهای تک مد می‌توانند کاربردهای مورد نیاز در دستگاه‌های فوتونیکی کوچک را فراهم کنند. این کاربردها دارای قابلیت‌های زیادی هستند که شامل دقت بالای اطلاعاتی، جلوگیری از ظهور سیگنال‌های کاذب و ثبت تداخل سیگنال‌های نوری مختلف برای دستیابی به سنجش یا تصویربرداری از سلول‌ها و مولکول‌های مختلف می‌باشد.

شکل 2- لیزر  قطبیده تک مده پهن باند، به‌طور بالقوه می‌تواند در سنجش و تصویربرداری بیوشیمیایی چند حالته استفاده شود. چنین عملکرد لیزری منحصر به‌فردی مزایای خروجی باند پهن، قطبش و لیزر تک حالت را با هم در اختیار شما قرار می‌دهد که توسط ریز بلورهای چهارچوب آلی فلزی به‌شکل ترکیب رونشستی سلسله مراتبی مونتاژشده با رنگ حاصل می‌شود.

 

چارچوب‌ فلزی-آلی، ماده‌ کریستالی متناوبی است که توسط یون‌‌های فلزی و لیگاندهای واسطه‌ی[7] اورگانیک سرهم می‌شوند تا یک زیرساخت ترکیبی و قدرتمند را برای غلبه بر چالش‌‌های موجود در میکرولیزرهای چند رنگ فراهم کند. ساختار کریستالی صاف و منظم در چهارچوب‌‌های فلزی-آلی می‌تواند به‌عنوان یک تشدید کننده نوری برای ارائه بازخورد نوری مناسب عمل کند. در پژوهش اخیر، هواجان هی و همکارانش، مونتاژ همزمان مولکول‌های مختلف رنگ را بر اساس چارچوب میزبان ZJU-68، برای دستیابی به لیزر تک مد و چند رنگ ارائه دادند.

سنتز و شناسایی چهارچوب‌‌های آلی فلزی رنگی

میکرو کریستال چهارچوب آلی فلزی حاوی انواع مولکول‌های رنگ هستند. ابتدا دانشمندان از یک شبیه‌سازی محاسباتی برای تشخیص الگوی لیزر مواد برای مکانیسم‌‌های احتمالی در مد لیزری استفاده کردند. نتایج به‌دست آمده نشان داد که روشی جدید برای مواد حالت جامد میکرو لیزر و چند رنگ به جهت یکپارچگی فوتونی و سنجش یا تصویربرداری بیوشیمیایی وجود دارد. این تیم با کنترل رشد یک جهته کریستال‌های چهارچوب آلی فلزی، مواد و یا مولکول های رنگ میهمان را بر روی چارچوب مونتاژ کرده و چارچوب‌‌های ترکیبی آلی فلزی را ساختند که‌  به‌صورت ترکیب سلسله مراتبی[8] رنگ شده‌اند. در طول سنتز، ابتدا یون‌‌های رویZn²⁺) )، یک پیوند دهنده آلی و یک مولکول رنگ به‌‌هم پیوند داده می‌شود تا رنگ اول تشکیل شود. سپس میکروکریستال‌های حاصل در محلول واکنش جدید Zn²⁺))، پیونددهنده آلی و مولکول رنگ بعدی، غوطه‌ور و رنگ دوم تشکیل شد. برای مرحله سه، آن‌‌ها مرحله دوم را با یک رنگ دیگر تکرار کردند تا یک رنگ میکروکریستال ترکیبی و سلسله مراتبی سه رنگ داشته باشند. این تیم سه مولکول رنگ مختلف، با نام‌‌های اختصاریDPBDM ، DMASM و MMPVP را ترکیب کرده و به انواع مختلف تک کریستالهای ترکیبی MOF دست یافتند. تمام کریستال‌های ترکیبی همان ساختار منشوری و شش ضلعی را به‌شکل خالص چارچوب میزبان یعنی ZJU-68 حفظ می‌کنند، جز تغییرات رنگی که از مونتاژ مولکول رنگ حاصل شده است. رنگ‌‌های مونتاژ شده به‌ترتیب با رنگهای زرد روشن، سرخابی و بنفش مطابقت داشتند. الگوهای پراش اشعه ‌ایکس[9] از رنگ مونتاژ شده را بر روی ریز بلورهای سلسله مراتبی ZJU-68 هدایت شده است، که با شبیه‌سازی ها مطابقت خوبی داشت.

عملکرد فلورسانس و ماندگاری ساختار چند رنگ

شکل 3- سنتز و خصوصیات ریز بلورهای ترکیبی سلسله‌ مراتبی با رشد رو نشستی تک محوره.  (a)شماتیک سنتز ریز بلورهای ترکیبی رنگی مونتاژ شده سلسله‌مراتبی. (b) تا (i) میکروگراف‌‌های نوریZJU-68  و مونتاژ رنگ در این ساختار میله مقیاس 10 میکرومتر است. (j) پراش اشعه x حالت پودری ZJU-68 و ریزبلورهای ترکیبی سلسه‌ مراتبی مونثاژ شده با رنگ که مشابهت چهارچوب ساختاری با ZJU-68 را نشان می‌دهد.

 

این تیم برای مقایسه طیف فوتولومینسانس بلورهای ترکیبی[10] ZJU-68، از یک لامپ جیوه با مجموعه فیلترهای برانگیختگی 480 نانومتری استفاده کردند و قله‌های انتشار سبز، قرمز و مادون قرمز به این ترتیب تعیین شد. همچنین در این کار از میکروسکوپ لیزری کانفوکال و چند کاناله[11] استفاده شد و نشان داده شد چگونه می‌توان سیگنال تک کریستال ترکیبی با سه رنگ را با نور فرودی و ماژول‌های فیلتر برای برانگیختگی بخشی و سیگنال های مختلف فلورسانس رنگی ترکیب کرد. این فرآیند از اثرات خاموش کننده ناشی از تجمع[12] هنگام مونتاژ رنگ جلوگیری کرده و به انتقال انرژی از مولکول‌های رنگ با امواج کوتاه به مولکول‌های رنگ با طول موج بلند کمک می‌کند تا خروجی انتشار چند موج کارآمدتر شود.

دانشمندان در ادامه خاصیت لیزر (لیزدادن) یك كریستال هیبریدی كوچك را كه حاوی سه مولكول رنگ در زیر میكروسكوپ است، مورد مطالعه قرار دادند. آن‌‌ها از پرتوی لیزر 480 نانومتری برای برانگیختن مولکول، به همراه میکروسکوپ برای جمع آوری سیگنال فوتولومینسانس با استفاده از طیف سنج فیبر نوری استفاده کردند. بر اساس نتایج به دست آمده، هی و همکارانش فرآیند لیزر سه رنگ را به مکانیسم مجموعه مدهای نجواگر[13] از یک کریستال منشور شش ضلعی نسبت دادند. برای درک بیشتر مکانیسم‌‌های حالت لیزر در کاواک شش ضلعی، آن‌‌ها شبیه سازی‌‌های نوری را با استفاده از نرم افزار کامسول مولتی فیزیکس انجام دادند. به این ترتیب انعکاس داخلی شش وجه بلوری را مشخص کردند که نشان‌دهنده سازوکار مجموعه مدهای نجواگر از نمودارهای شبیه‌سازی شده است.

شکل 4- فلورسانس ریز بلورهای ترکیبی سلسله مراتبی رشد رو نشستی همگون تک جهته الف) (a) طیف فلورسانس یک میکرو کریستالZJU-68  منفرد در 390 نانومتر. (b) تا (h) طیف‌‌های فلورسانس ریز بلورهای ترکیبی سلسله مراتبی و میکروگرافهای فلورسانس مختلف ریز بلورهای ترکیبی سلسله مراتبی ZJU-68 با میله های مقیاس 10 میکرومتر. (h) در 480 نانومتر برانگیخته شده است.

 

اسکن عملکرد لیزر در میکرو کریستال ترکیبی

محققان این تیم توانستند به طور همزمان مواد را در محل اتصال دو بخش کریستال برانگیخته سازند تا به صورت آزمایشی لیزر سبز روشن/ قرمز یا قرمز/ فروسرخ نزدیک را به‌دست آورند. این تنظیمات منحصر به فرد اجازه می‌دهد تا از لیزری با یک رنگ خاص یا ترکیبی از رنگ‌‌ها در یک فضای میکرو یا نانو برای کاربردهای متنوع بیوفوتونیکی استفاده نمود. از این طریق دانشمندان به لیزر تک مد با طول موج سه‌گانه در کریستال هیبریدی سه رنگ با قطبش نور لیزری چشمگیر دست یافته‌اند. هی و همکارانش با تراز کردن انتقال‌های انتشار از این مولکول‌های رنگ، به طور قابل توجهی به یک ناهمسانگردی انتشار[14] دست یافتند (به عنوان مثال نوری که توسط فلوئوروفورها [15]منتشر می‌شود دارای شدتی برابر است). نتایج دیگر نشان داد که این لیزرهای چند رنگ و غیرهمسانگرد کاربردهای زیادی در سنجش یا تصویربرداری بیوشیمی و برنامه‌های پردازش سیگنال نوری دارد. 

شکل 5- لیزر تک حالته در یک میکرو کریستال ترکیبی سلسله مراتبی با شعاع 1.65 میکرومتر. (a) تا (c) طیف های انتشار بخشهای کریستال و میکروگرافهای بخشهای کریستال که در 480 نانومتر تحریک می‌شوند (سمت راست) و شدت انتشار به عنوان تابعی از دبی پمپ برای آستانه لیزر برای بخش‌‌های میکرو کریستال، میله های مقیاس 10 میکرومتر. (d)  تا (f) توزیع میدان الکتریکی شبیه سازی شده (مربع شدت میدان الکتریکی) در حفره شش ضلعی برای حالت های 720 نانومتر (d) ، 621 نانومتر (e) و 534 نانومتر  (f)

 

به این ترتیب تیم تحقیقاتی هواجان هی و همکارانش مجموعه سلسله مراتبی از مولکول‌های رنگ مختلف را در یک فرآیند میهمان- میزبان ترکیبی و در یک میکرورزوناتور آلی- فلزی ایجاد کردند. آن‌‌ها با استفاده از یک زیرساخت، به لیزر تک مد با طول موج سه تایی رسیدند. مجموعه چند جزئی میزان خروجی رنگ میکرو لیزر را کنترل کرده و اثرات نامطلوب انتقال انرژی بین مولکول‌های مختلف رنگ را برطرف می‌کند. فرآیند لیزر تک مد سه رنگ، یک محدوده طول موج را از حالت مرئی به فرو سرخ نزدیک در یک ساختار یکپارچه ارائه می‌دهد. این پژوهش، فرآیند توسعه ساختار لیزر تک حالته را برای کاربردهای بیوفوتونیک چند حالته ساده می‌کند.

 

References

[1] Huajun He et al. Controllable broadband multicolour single-mode polarized laser in a dye-assembled homoepitaxial MOF microcrystal, Light: Science & Applications (2020). DOI: 10.1038/s41377-020-00376-7

[2] H. Furukawa et al. The Chemistry and Applications of Metal-Organic Frameworks, Science (2013). DOI: 10.1126/science.1230444

[3] Rajan S. Gurjar et al. Imaging human epithelial properties with polarized light-scattering spectroscopy, Nature Medicine (2002). DOI: 10.1038/nm1101-1245

 

 

Source: https://phys.org/news/2020-08-metal-framework-mof-microcrystals-multicolor.html

 

[1] Metal Organic Framework: MOF

[2] Multicolor Broadband Lasing

[3] Multicolor Single-Mode Polarized Microlasers

[4] Near Infrared: NIR

[5] Nature Light: Science & Applications

[6] Multimodal or Multidimensional

[7] Bridging Ligandsلیگاند واسطه، لیگاندی است که دو اتم که معمولاً اتم فلزی است یا بیشتر را به هم پیوند می‌دهد [۱]. لیگاند می‌تواند تک اتمی یا چند اتمی باشد. عموماً همه ترکیب‌های کمپلس آلی می‌توانند به عنوان لیگاند واسطه کار کنند.

[8] Dye-Assembled Hierarchical Hybrid Metal-Organic Framework

[9] Powder X-Ray Diffraction

[10] Dye-Assembled ZJU-68 Hybrid Crystals

[11] Multichannel Confocal Laser Microscopy

[12] Aggregation-Caused Quenching Effects

[13] Whispering Gallery Mode: WGM

[14] Emission Anisotropy

[15] Fluorophores