Stel je voor: een lens zo sterk dat je een virus op een celmembraan kan bekijken in zijn natuurlijke omgeving. Door verbetering van materialen die in zogeheten hyperlenzen worden gebruikt lijkt dit snel de realiteit te worden.
Alexander Giles en zijn collega’s van de Vanderbilt universiteit uit de VS zijn erin geslaagd om de structuur van het hyperlensmateriaal hexagonaal boornitride (hBN) te manipuleren. Met het hBN zou een optische microscoop met een zeer hoge resolutie kunnen worden ontwikkeld. Ze publiceerden hun resultaten in Nature Materials.
Op zoek naar de vliegroute van de grote stern
Ecoloog Ruben Fijn bracht met gps voor het eerst uitgebreid het vlieggedrag van de grote stern in kaart. Zijn onderzoek laat ...
‘hBN is een kristal dat licht kan reduceren tot kleinere golflengten dan die van het licht dat erop wordt geschenen,’ zegt Giles. ‘In 2016 toonden we al aan dat we met licht met een golflengte van 10 micrometer nanodeeltjes met een diameter van 300 nanometer konden bekijken’. De speciale materialen van hyperlenzen maken het dus mogelijk om objecten weer te geven die vele malen kleiner zijn dan de golflengte van licht, zoals bacteriën en virussen.
Uit het onderzoek van Giles blijkt dat door nieuwe aanpassingen aan de structuur van het kristal, de potentiële resolutie nu met een factor 10 kan worden verhoogd. ‘Het controleren en manipuleren van licht op nanoschaal is erg moeilijk en inefficiënt. Ons werk baant een nieuw pad voor de volgende generatie materialen en apparaten,’ stelt Giles.
Zuivere kristallen
De onderzoekers hebben het boor dat voor de hBN-kristallen werd gebruikt ditmaal isotopisch gezuiverd. Natuurlijk voorkomend boor bevat twee isotopen die 10 procent in gewicht verschillen. 80 procent van het boor bestaat uit het isotoop boor-10, terwijl 20 procent uit boor-11 bestaat. Volgens Giles zorgt deze heterogeniteit voor relatief veel verlies van licht en energie uit de hBN-kristallen, waardoor een hogere resolutie bereiken lastig wordt.
‘Volgens onze berekeningen zouden we een tienvoudige verbetering kunnen krijgen door pure boorkristallen te gebruiken in plaats van natuurlijk boor,’ zegt Giles. ‘Dat zou betekenen dat we bijvoorbeeld virussen van 30 nanometer kunnen weergeven.’
Uit het experiment bleek dat vooralsnog alleen een drie- tot viervoudige verbetering mogelijk is. Volgens Giles maakt dat niet veel uit. ‘We hebben laten zien dat de inherente beperkingen in de effectiviteit van hyperlenzen kunnen worden overkomen door slim isotopisch ingenieurswerk.’
Nieuwe mogelijkheden
Het is al langer mogelijk om met elektron- en atoomkrachtmicroscopie objecten op nanoschaal te bekijken. Deze technieken kunnen echter niet op levende wezens worden gebruikt, doordat ze ofwel opereren in een hoog vacuüm, ofwel organismen blootstellen aan schadelijke straling. Hyperlenzen zouden in tegenstelling tot de andere methoden, aan de hand van onschadelijk licht, zeer scherpe beelden van de natuurlijke omgeving kunnen maken.
Gerald Pollack van de universiteit van Washington ziet heil in de techniek. ‘Het is één ding om op basis van modellen aan te nemen hoe moleculen van een cel zich gedragen. Om deze daadwerkelijk te kunnen visualiseren is weer een andere,’ zegt Pollack. ‘Elke techniek die de dynamiek van moleculen in hun natuurlijke omgeving kan visualiseren, zal een doorbraak zijn van de hoogste orde.’
Abbe-limiet
De natuurkunde achter hyperlenzen is vrij complex. De scherpte die een optische microscoop kan behalen wordt beperkt door de golflengte van het gebruikte licht en de brekingsindex van het lensmateriaal – in dit geval hBN. Gecombineerd met andere factoren blijkt dat een maximale optische scherpte doorgaans de helft van de golflengte van het gebruikte licht bedraagt, wat ook wel de Abbe-limiet wordt genoemd.
De Abbe-limiet kan worden doorbroken door bijvoorbeeld hBN te gebruiken als lensmateriaal. In dit materiaal kunnen polaritons ontstaan onder invloed van licht. Dit zijn hybride deeltjes die zijn samengesteld uit fotonen en vibrerende geladen atomen in de kristallen die een veel kortere golflengte kunnen hebben dan het gebruikte licht.
In natuurlijk boor worden deze polaritons vrij snel verloren. Bij de hBN-kristallen gemaakt van 99 procent isotopisch puur boor doven de polaritons minder snel uit, waardoor de optische kwaliteit hoger is.
Het team van Giles werkt nu aan een werkende optische microscoop waarin de pure hBN-kristallen als lens worden gebruikt.
Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.
Lees verder: