Tudi celice in milni mehurčki so lahko laserji

Milne mehurčke smo kot otroci verjetno radi spuščali prav vsi, radovedno smo ugotavljali, kako velik mehurček lahko naredimo in kako dolgo bo lebdel v zraku. Kaj pa, ko se z milnimi mehurčki čisto resno ukvarjajo raziskovalci? Izdelajo edinstven sistem, uporaben kot zelo občutljiv senzor tlaka in električnega polja.

Doc. dr. Matjaž Humar iz Laboratorija za biointegrirano fotoniko, ki je del Odseka za fiziko trdne snovi na Institutu Jožef Stefan, je skupaj s sodelavko Zalo Korenjak ustvaril laser s pomočjo milnega mehurčka. »Ideja se mi je porodila ob branju članka, ko so raziskovalci preučevali, kako svetloba potuje po milnih mehurčkih. Mislim, da je bilo to leta 2020, potem sem začel razmišljati, ali bi lahko naredili laserje iz milnih mehurčkov. Naši ekipi se je po koncu prvega letnika fizike pridružila Zala in oblikovali smo študentski projekt. Ideja je bila zabavna, gnala nas je radovednost, pokazalo pa se je ne le, da idejo lahko uresničimo, ampak da ima uporabno vrednost,« razlaga dr. Humar.

V raziskavi, objavljeni v reviji Physical Review X, sta dokazala, da lahko barvilo, raztopljeno v milnici, ojača svetlobo, ki kroži v sferični lupini, in proizvede lasersko svetlobo. Ta svetloba je vidna kot žareč obroč okoli mehurčka.

Laser iz milnega mehurčka FOTO: Zala Korenjak  

»Želeli smo narediti mehurčke, ki bi bili zelo stabilni. Milni mehurčki namreč hitro počijo, zato so manj uporabni za opazovanje in merjenje. Tako smo namesto navadne milnice uporabili smektične tekoče kristale. Naslednji izziv je bil, kako narediti dovolj majhne mehurčke. Spekter izsevane laserske svetlobe je odvisen od velikosti mehurčka, čim manjši je, tem lažje je razločiti vrhove v laserski svetlobi,« pojasnjuje Zala Korenjak.

»Smektični tekoči kristali so idealni, ker tvorijo plasti molekul, ki so enakomerno razmaknjene. Celotna površina mehurčka ima točno določeno število plasti, tako na primer dobimo 10 molekulskih plasti debel mehurček. Ker pri tem snov ne izhlapeva, je mehurček stabilen in ne poči,« nadaljuje Matjaž Humar.

Da so milni mehurčki oddajali lasersko svetlobo, sta jim dodala fluorescenčno barvilo in jih vzbujala z zunanjim laserjem. »Da izdelamo laser, so potrebne tri stvari,« razlaga raziskovalec. »Kot prvo, izdelati moramo laserski resonator, v katerega se ujame svetloba in nato resonira kot struna na kitari. Potem potrebujemo sredstvo, ki ojačuje to svetlobo, ki resonira v resonatorju, in kot tretje, potrebujemo vir zunanje energije. V našem primeru je bil resonator sam mehurček. Snov, ki je ojačevala svetlobo, je bila fluorescenčno barvilo, raztopljeno v milnici ali tekočih kristalih. Zunanji vir energije pa je bil v našem primeru laserska svetloba.«

Občutljivi senzorji

Takšni laserski mehurčki bi lahko delovali kot natančni senzorji za merjenje atmosferskega tlaka ali za zaznavanje sprememb v električnem polju. »Ko se zunanji tlak spremeni, se spremeni velikost mehurčka. Ko se spremeni velikost mehurčka, se spremeni tudi izsevana laserska svetloba, kar lahko izmerimo,« razlaga Zala Korenjak. »Merimo lahko že zelo majhne spremembe velikosti mehurčka, in sicer deset nanometrov, kar je desettisočkrat manj od debeline človeškega lasu. Poleg tega lahko merimo spremembe električnega polja. V njem se mehurček nekoliko deformira, kar prav tako lahko zaznamo v spremenjeni izsevani svetlobi.«

Ta izredna natančnost bi omogočila uporabo smektičnih mehurčkov kot enih najbolj občutljivih senzorjev električnega polja in tlaka, razvitih doslej. »Prednost je predvsem v tem, da imajo drugi senzorji trdo membrano, ki se delno deformira, a nato vendarle poči. Naši mehurčki pa so tekoči, lahko se zelo napihnejo ali skrčijo, vendar ne počijo. Zato je območje delovanja široko, zaznavamo pa lahko zelo majhne spremembe,« poudarja dr. Humar.

Mehurček kot edinstven sistem bi v prihodnosti lahko uporabili tudi kot zelo občutljiv mikrofon, senzor magnetnega polja in kot platformo za preučevanje zanimivih procesov v tankih plasteh, še pravi Zala Korenjak. »Zdaj preizkušamo različne aplikacije. Lahko bi deloval kot mikrofon, ker zaznavamo spremembe v zunanjem tlaku. Če bi mehurčku dodali še magnetne nanodelce, bi magnetno polje deformiralo njegovo obliko in s tem bi pridobili podatke o magnetnem polju prek izsevane svetlobe.«

Celični laserji

V Laboratoriju za biointegrirano fotoniko se večinoma ukvarjajo z majhnimi laserji v povezavi z biološkimi in medicinskimi aplikacijami. Dr. Matjaž Humar je, ko je bil na harvardski medicinski fakulteti, pred devetimi leti prvič laser vgradil v človeško celico. »Ti laserji se danes veliko uporabljajo za osnovne raziskave. Po našem dosežku se je v razvoj in raziskovanje celičnih laserjev usmerilo še veliko drugih raziskovalnih skupin po vsem svetu. Tako da smo do danes razvili laserje za raziskave različnih bioloških procesov. Naša skupina se ukvarja z aplikacijami za slikanje skozi kožo, za merjenje mehanskih lastnosti mehkih tkiv, pa raznimi aplikacijami za medicinsko diagnostiko,« našteje. Zdaj s kolegi iz Avstrije začenjajo projekt izdelave laserjev, s katerimi bodo pod kožo lahko merili glukozo v krvi.

Laserji (rdeče kroglice) v celicah (modro so celična jedra). FOTO: Ana Krišelj in Rok Podlipec  

Pred nekaj leti je dr. Humar prejel projekt ERC za razvoj celičnih laserjev. Kot pravi, gredo raziskave v tri smeri. Po eni strani so laserji lahko senzorji, po drugi črne kode, uporabljamo jih lahko tudi za slikanje v tkivih. »Primer senzorja je omenjeno merjenje krvnega sladkorja. Laserji se v celicah lahko obnašajo kot črtne kode, vsaka celica je opremljena s svojo kodo, ta je zapisana v svetlobi, ki jo daje laser znotraj celice, in tako lahko spremljamo posamezno celico in dogajanje v njej, njeno spreminjanje … Tretja uporaba pa je slikanje. Tkiva so neprozorna, z optičnimi napravami prav globoko ne moremo videti. Način slikanja, ki bi to omogočal, bi lahko uporabljali predvsem v medicinski diagnostiki,« razlaga vodja laboratorija.

Kot še dodaja, je princip delovanja teh laserjev, pa naj bodo celice ali milni mehurčki, zelo podoben. »Pravzaprav je vseeno, ali je to kapljica znotraj celice, milni mehurček ali trdna kroglica.«

Kvantna optika

V laboratoriju delajo tudi na področju kvantne optike in kvantnih komunikacij. »Med drugim raziskujemo feroelektrične nematike, to so pred nekaj leti odkriti tekoči kristali. Preučujemo uporabo teh tekočih kristalov v kvantni optiki. Nedavno smo kot prvi pokazali generacijo parov fotonov, ki so prepleteni, uporabljajo se v kvantni komunikaciji in kvantnem računalništvu. Gre za prve prepletene fotone, ustvarjene v organski osnovi, doslej so vedno uporabljali anorganske kristale,« pravi Humar.

»Kot prvi se ukvarjamo s kvantno optiko na osnovi tekočih kristalov. Druge skupine se večinoma ukvarjajo z optiko v trdnih snoveh, mi pa torej v mehkih, ki imajo povsem drugačne lastnosti. Mehke snovi se lahko same sestavijo v določene oblike, z zunanjimi vplivi pa jim lahko spreminjamo lastnosti. Konkretno: če na tekoči kristal priključimo električno napetost, se spremenijo njegove optične lastnosti. To poznamo denimo pri zaslonih, kjer na ta način prikazujemo sliko. V primeru kvantnih aplikacij pa lahko z napetostjo spremenimo kvantne lastnosti parov fotonov, kar je mogoče samo zato, ker delamo v mehki snovi, kar do zdaj še ni bilo pokazano.«

Mlade spodbujajo k raziskavam

Ekipo Laboratorija za biointegrirano fotoniko sestavljajo večinoma fiziki, še pravi Matjaž Humar. »Čeprav posegamo v biologijo in medicino, gre pri naših eksperimentih v osnovi za fizikalne pojave. O drugih vedah smo se nekoliko podučili, sicer pa sodelujemo z različnimi skupinami, tako znotraj IJS kot z zunanjimi organizacijami, našimi in tujimi. Še naprej sodelujem s kolegi s Harvarda in pa Nacionalno univerzo v Seulu,« pojasnjuje sogovornik.

Zanimanje za biofotoniko oziroma biointegrirano fotoniko je precejšnje med študenti Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, nadaljuje. Temu pritrdi Zala Korenjak, ki je zdaj doktorska študentka. »Po prvem letniku na fakulteti sem imela široko, a splošno znanje o fiziki. Dobila sem priložnost za delo v laboratoriju na IJS, tematika je bila zanimiva, vse bolj me je vleklo v biofotoniko, tako sem tudi pri študiju izbirala vse več predmetov s tega področja.«

»V laboratoriju skušamo tudi mlajše študente čim prej usmeriti k lastnemu raziskovanju,« poudarja Humar. »Tako že tiste na prvi stopnji bolonjskega študija, ki pri nas opravljajo študentsko prakso, spodbujamo, da svoje delo kronajo z znanstvenim člankom. Za to so bili študenti tudi nagrajeni, dve leti zapored so dobili nagrado dr. Uroša Seljaka, ki jo podeljujejo za raziskovalno delo na dodiplomski in magistrski stopnji. Doktorski študent Aljaž Kavčič je prejel univerzitetno, Zala Korenjak pa fakultetno Prešernovo nagrado.«

»Vsekakor je nekaj posebnega, da že kot študentka lahko vodim svojo raziskavo in nisem le v manjšo pomoč. Zelo dober občutek je, ko dobiš rezultate in spišeš članek,« sklene Zala Korenjak.