Jennifer Dionne folosește lumina pentru a ilumina peisajele nano

Jennifer Dionne, 35 de ani
Savantul materialelor
Universitatea Stanford

SN10 - lista completă a oamenilor de științăPentru a-și alege obiectivele de cercetare, Jennifer Dionne are în vedere conversații cu nepoți ipotetici, după 50 de ani. Ce ar fi vrut să le spună că a realizat? Apoi, pentru a trasa calea către acel viitor, „lucrez înapoi pentru a-mi da seama care sunt reperele pe drum”, spune ea.

Această viziune pe termen lung a condus-o pe omul de știință în materie de materiale în vârstă de 35 de ani într-o încercare de a discuta lumina și de a o convinge să-și îndeplinească cererea în interacțiunile cu nanoparticule și diverse materiale. Deja, Dionne a creat noi nanomateriale care orientează lumina în moduri imposibile cu substanțele naturale. Noile ei proiecte ar putea duce în cele din urmă la tehnologii bazate pe lumină utilizate pentru a îmbunătăți medicamentele sau pentru a crea noi teste pentru a găsi celule canceroase. Există chiar și aplicații pentru energie regenerabilă, de exemplu, proiectarea de materiale care ajută celulele solare să absoarbă mai multă lumină.

Dar calea către o viziune științifică poate să nu fie întotdeauna clară, așa că Dionne își face timp pentru diversiuni. „Multe dintre descoperirile cu adevărat uimitoare de care ne bucurăm astăzi au venit doar din jocul în laborator”, spune ea. Dionne își încurajează echipa să lase creativitatea să fie un ghid, îmbinând un sentiment serios de scop cu jocul.

„Este o persoană foarte curioasă, așa că învață mereu lucruri noi”, spune Paul Alivisatos, vicecancelarul pentru cercetare la Universitatea din California, Berkeley, care a fost mentor pe Dionne când era postdoctorală acolo. În plus, „este o gânditoare extrem de profundă și riguroasă”.

Dionne, acum la Universitatea Stanford, studiază nanofotonica, modul în care lumina interacționează cu materia la scară foarte mică. Interesul ei pentru lumină și materiale a început în copilărie, își amintește ea, când era fascinată de fluturele albastru morfo.

Aripile insectei au o nuanță azurie care nu provine de la pigmenți, ca majoritatea culorilor găsite în ființele vii, ci din nanostructurile minuscule de pe suprafața aripilor (SN: 6/7/08, str. 26). Când lumina se reflectă în structuri, lungimile de undă albastre sunt amplificate, în timp ce lungimile de undă corespunzătoare altor culori sunt anulate.

Acest interes timpuriu pentru trucurile luminii a determinat-o pe Dionne să înceapă să o folosească ca unealtă în timpul școlii postuniversitare la Caltech și apoi postdoctoratul la UC Berkeley. Atunci și acum, spune Alivisatos, „a făcut în mod constant o muncă foarte frumoasă”.

La Caltech, Dionne și colegii au creat un material optic bizar în care lumina se îndoaie înapoi. Pe măsură ce lumina trece de la un material la altul – să zicem, de la aer la apă – razele sunt deviate datorită unei proprietăți numite indice de refracție. (De aceea, un pai într-un pahar de băut pare a fi spart la suprafața apei.) În materialele naturale, lumina se îndoaie întotdeauna în aceeași direcție. Dar această regulă este inversată în nanomaterialele ciudate cu un indice de refracție negativ.

Materialul lui Dionne, raportat în Ştiinţă în 2007, a fost primul care a lucrat cu lumină vizibilă (SN: 24.03.07, str. 180). Deoarece pot orienta lumina în jurul obiectelor pentru a ascunde obiectele de la vedere, astfel de materiale ar putea fi folosite pentru a crea versiuni rudimentare ale mantiilor de invizibilitate – deși până acum toate încercările sunt departe de versiunea lui Harry Potter. Dionne lucrează acum la o „piele de calmar” cu un indice de refracție reglabil, care ar imita modelele de camuflaj în schimbare ale cefalopodului ascuns.

Un alt punct focal al cercetării lui Dionne este valorificarea luminii pentru a separa amestecuri de molecule cu imagini în oglindă. Versiunile dreptaci și stângaci ale acestor molecule sunt reflectări perfecte una a celeilalte, precum mâinile drepte și stângi ale unei persoane. Cele două tipuri sunt atât de asemănătoare încât oamenii de știință se luptă să le separe, ceea ce poate cauza probleme producătorilor de medicamente. În medicamente, aceste molecule pot avea două fețe; unul ar putea ameliora durerea, în timp ce celălalt provoacă efecte secundare nedorite.

Pentru a separa moleculele și imaginile lor în oglindă, Dionne dezvoltă tehnici care folosesc lumină polarizată circular, în care undele electromagnetice care se mișcă ale luminii se rotesc în timp. O astfel de lumină poate interacționa diferit cu moleculele dreptaci și stângaci, de exemplu, rupând o versiune în timp ce lăsând nevătămată cealaltă.

În mod normal, efectul luminii este foarte slab. Dar într-un studiu teoretic publicat în Fotonica ACS în decembrie anul trecut, Dionne și colegii săi au arătat că adăugarea de nanoparticule la amestec ar putea îmbunătăți procesul. Aceste particule minuscule se comportă ca niște antene care concentrează lumina pe moleculele din apropiere, ajutând la descompunerea lor. Dionne lucrează acum pentru a implementa tehnica.

Caenorhabditis elegans
vierme strălucitor Nanoparticulele alimentate cu aceasta Caenorhabditis elegans vierme strălucește atunci când este iluminat cu lumină infraroșie. Culoarea lor se schimbă pe măsură ce sunt stoarse în tractul digestiv al viermilor. Alice Lay/Dionne Lab

Ea și colegii ei au creat și nanoparticule care, atunci când sunt iluminate cu lumină infraroșie, emit lumină vizibilă.

Culoarea acelei lumini se schimbă în funcție de cât de strâns este strânsă nanoparticulă

a raportat echipa în

Nano scrisori

în iunie. În conformitate cu înclinația ei pentru explorarea creativă în laborator, Dionne și colegii au hrănit aceste nanoparticule viermilor rotunzi, nematodul.

Caenorhabditis elegans

pentru a studia forțele exercitate în timp ce un vierme transparent stoarse o masă prin tubul său digestiv.

„Puteți vedea că nanoparticulele își schimbă culorile pe tot parcursul”, spune Dionne. Ea plănuiește să folosească tehnica pentru a dezvălui o stoarcere mai sinistră. Celulele canceroase exercită asupra mediului lor forțe mecanice mai puternice decât celulele sănătoase, astfel încât astfel de nanoparticule ar putea fi folosite într-o zi pentru a testa cancerul, spune ea. Dionne gătește acum alte moduri creative de a folosi aceste nanoparticule. În colaborare cu alți cercetători, ea speră să își organizeze nanoparticulele care își schimbă culoarea pentru a înțelege cum se mișcă meduzele și cum plantele iau băutură.

Lucrarea lui Dionne exploatează lumina pentru a dezvălui forțe ascunse – și ca forță spre bine. „A făcut o muncă uimitoare”, spune cercetătorul Prineha Narang de la Universitatea Harvard. Narang era un student absolvent la Caltech după ce Dionne a plecat și auzise discuții despre Dionne înainte de a o întâlni în persoană. „Legenda lui Jen Dionne sa încheiat cu siguranță”, spune Narang. Așa că Dionne a început să-și stabilească moștenirea științifică – chiar înainte de discuția cu viitorii ei nepoți.