На пути к фантастическому трехмерному монитору
 Изображение трехмерной структуры, сгенерированное при помощи инфракрасного лазера, управляемого компьютером. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Кристаллы NaYF4, известные как «преобразованные нанокристаллы», могли бы играть ключевую роль в развитии технологий трехмерного отображения, благодаря своей способности поглощать инфракрасное излучение, переизлучая при этом фотоны в видимом диапазоне.
Одним из перспективных применений этих кристаллов является создание трехмерного «экрана». Для этого нанокристаллы NaYF4 рассеиваются внутри тела из прозрачного силикона. Для отображения информации на таком «экране» используется инфракрасный лазер. Своим невидимым для человеческого глаза светом лазер пронизывает «экран», фокусируясь в нужных точках, и, тем самым, подсвечивая нужные нанокристаллы (вынуждая их излучать видимый свет).
Учитывая нетоксичность и высокую биологическую совместимость NaYF4, этот материал может использоваться в будущем не только для трехмерных дисплеев, но и в методиках биоизображения или люминесцентной биологической маркировки.
Однако, чтобы эффективно работать в рамках этой методики, кристаллы NaYF4 должны иметь размеры менее 20 нм и обладать гексагональной кристаллической структурой. Этот факт является существенным препятствием, т.к. нанокристаллы NaYF4 имеют кубическую структуру, а преобразование к гексагональной кристаллической решетке требует присутствия дополнительных химических реагентов и продолжительной термической обработки. При этом реакция преобразования может привести к дополнительным проблемам, например, к склеиванию отдельных нанокристаллов между собой или изменению их размеров.
Для решения этой проблемы группа исследователей из National University of Singapore (Сингапур) нашла относительно простой метод управления ростом нанокристаллов NaYF4: добавление небольшого количества ионов лантанидов в качестве «катализатора».
Применение тяжелых элементов в качестве инструмента управления химическими процессами формирования кристаллов – не новость. Обычно добавляемые таким образом тяжелые элементы называют «присадками», а подобная методика используется при производстве гибридных материалов с необычными или настраиваемыми свойствами. Но до сих пор никто не практиковал добавление тяжелых элементов при выращивании кристаллов NaYF4.
Тщательно выверенное количество ионов «присадки» позволяет ученым на стадии роста кристалла выбрать, в какую именно структурную форму будут собраны атомы. Кроме того, они могут управлять размерами нанокристалла; результирующая структура может быть от нескольких сотен до 10 нм. А для применения нанокристаллов в системах трехмерного отображения важен и еще один варьируемый параметр – цвет излучения видимого диапазона, испускаемого нанокристаллом при облучении инфракрасным лазером. На сегодняшний день благодаря разработанной методике ученым доступен широкий диапазон цветов от зеленого и белого до синего.
Серия экспериментов, проведенных учеными, началась с того, что была отмечено влияние ионов гадолиния на форму кристаллической решетки получаемых нанокристаллов NaYF4. Это происходит по причине того, что некоторые ионы гадолиния замещают иттрий в кристаллической решетке, в результате на свет появляются кристаллы из смеси NaGdF4 и NaYF4. Присутствие отдельных ионов Gd определяет структуру остальной части кристалла, вынуждая химические связи выстраиваться по гексагональной схеме.
После этого открытия команда исследовала влияние и других лантанидов. Было обнаружено, что добавление самария и неодимия позволило создать нанокристаллы меньшего размера, в то время как эрбий, иттербий и тулиум изменили цвет излучаемого видимого света.
Также по теме:
Источники: