Krijgen de mobieltjes van de toekomst een nanoscanfunctie? Een nieuwe slimme gadget kan helpen bij zelfonderzoek van griepachtige verschijnselen. 

Noorse wetenschappers hebben een zogenaamde microresonator ontwikkeld, die zo’n honderd keer beter de lichtgolven in het langegolf-infraroodspectrum kan vasthouden en daardoor veel nauwkeuriger stoffen kan detecteren dan de huidige technologie. Hierdoor kunnen gas- en vloeistofmonsters veel effectiever worden gecontroleerd op virussen, bacteriën en andere schadelijke stoffen.

Fluistergalerij op nanoniveau
Een gadget dat covid, griep of zelfs diabetes opmerkt vanuit huis? Het zou een geweldige stap voorwaarts zijn en een flinke hoeveelheid werk van artsen en laboratoria uit handen nemen. Als alles volgens plan verloopt, kunnen binnen een paar jaar al mobiele scanapparaten op de markt komen die in realtime allerlei chemische deeltjes kunnen detecteren door middel van lichtanalyse. De microresonator bevat een onderdeel dat zorgt voor een ‘fluistergalerij’-modus, genoemd naar het effect dat de muren van de fluistergalerij in St. Paul’s Cathedral in Londen hebben op de geluidsgolven. Fluistert men aan de ene kant van de zaal, dan is het aan de andere kant nog duidelijk te horen vanwege de opbouw van de muren.

Honderd keer nauwkeuriger
“Onze microresonator is ongeveer honderd keer krachtiger dan wat tot nu toe beschikbaar was voor het langegolf-infraroodspectrum. Het kan het licht honderd keer langer vasthouden dan eerdere versies, wat het optische veld binnenin immens versterkt. Dit vergemakkelijkt bepaalde processen, zoals het genereren van frequentiekammen”, zegt onderzoeker Dingding Ren. “Omdat elke chemische stof een uniek langegolf-infraroodspectrum bezit, biedt deze techniek nieuwe mogelijkheden voor het detecteren van ziektes, maar ook van allerlei andere zaken.”

Frequentiekammen
Het effectiever opslaan van lichtgolven in het infrarode deel van het lichtspectrum is goed nieuws voor verschillende soorten nieuwe technologieën, zoals deeltjesdetectie en spectroscopische chemische identificatie. Met de nieuwe microresonator kunnen wetenschappers breedbandige frequentiekammen ontwikkelen in het langegolf-infraroodspectrum. Frequentiekammen zijn laserlichten waarvan het spectrum bestaat uit een reeks gelijkmatig verdeelde frequentielijnen. Ze worden al gebruikt in GPS-apparaten, in atoomklokken en in glasvezelapparatuur bij telefoons en computers. De technologie maakt het analyseren van meerdere chemicaliën tegelijk mogelijk.

Schaalbaar maken
“De technologie staat nog in de kinderschoenen als het gaat om metingen in dit langegolf-infraroodspectrum van licht. Maar onze doorbraak stelt ons in staat om in de nabije toekomst verschillende chemicaliën in realtime te identificeren”, vertelt Ren. Dit soort spectroscopische machines bestaan al, maar ze zijn op dit moment zo groot en zo duur dat alleen ziekenhuizen en andere grote instellingen ze kunnen betalen. De nieuwe Noorse technologie zou de markt binnenkort op zijn kop kunnen zetten met het schaalbaar maken van de productie van een draagbaar apparaat dat hetzelfde of meer kan. “De concurrentie op dit gebied is moordend”, aldus Ren.

De nieuwe microresonator is gemaakt met behulp van het element germanium. Het materiaal klinkt misschien exotisch, maar werd al in 1947 gebruikt in ‘s werelds eerste transistor, voordat silicium de (micro)chipmarkt overnam. Germanium wordt tegenwoordig nog vaak gebruikt voor het maken van optische lenzen in sensoren en infraroodcamera’s. Het is geen bijzonder dure of schaarse grondstof.

Microresonators
Microresonators zijn een soort optische holtes, ongeveer zo dik als een haar, waar licht doorheen kan reizen en waar het optische veld flink wordt versterkt. “We kunnen de microresonator vergelijken met wat er gebeurt met het geluid in de fluistergalerij in St. Paul’s Cathedral in Londen”, legt Ren uit. “We hebben beloofd dat we een betere microresonator zouden ontwikkelen en dat is gelukt.”

“Het feit dat we nu kunnen meten in het langegolf-infraroodbereik (8 tot 14 micrometer) van het lichtspectrum opent nieuwe mogelijkheden met betrekking tot gebruik in beeldvorming en detectie, milieumonitoring en biomedische toepassingen”, zegt professor Agnes Aksnes. “Veel moleculen hebben trillingsfrequenties in het middengolfbereik (2 tot 20 micrometer), het zogenaamde ‘moleculaire vingerafdrukgebied’. Door in dit golfbereik te meten, ontstaat een hogere gevoeligheid”, legt ze uit.