Varde nanoljus!

”Det är svårt att föreställa sig en värld utan ljus. Hur skulle en sådan se ut? Romanen Blindheten av José Saramago skildrar på ett intressant och samtidigt skrämmande sätt hur människan och samhället skulle kunna påverkas om förmågan att se skulle reduceras till ett privilegium för några få utvalda. Rädslan för att smittas av totalt mörker ställer moralen på prov och det blir – utan att avslöja för många detaljer – tydligt hur viktig synen är för oss.

Förmågan att framställa och kontrollera ljus genomsyrar vårt samhälle och har gjort så åtminstone sedan vi lärde oss att tämja eld, som gav oss ljus, värme och tillagad mat. Sedan dess har det hänt en del och det finns nu metoder för att framställa och detektera ljus i form av enstaka ljuspartiklar eller fotoner.

Ett av huvudspåren för min och mina kollegors forskning är att undersöka hur ljus beter sig när det interagerar med mycket små partiklar och strukturer. Det handlar om så kallade nanostrukturer, som är ungefär tusen gånger mindre än tjockleken på ett hårstrå. En nanometer är lika med en miljarddels (0,000000001) meter.

Om sådana små nanopartiklar är gjorda av metall interagerar de särskilt starkt med ljus och kan fånga in och fokusera det till mycket små volymer. Det gör det möjligt att konstruera tekniska anordningar (devices), som kan kontrollera ljus och optiska fält på nanoskalan, vilket är betydligt mindre än vad som är möjligt med traditionell optik baserad på glaslinser.

Den grundläggande fysiken hos dessa nanooptiska system är mycket fascinerande. Samtidigt börjar nu den grundläggande förståelsen omvandlas till en uppsjö av praktiska tillämpningar, och det är spännande att som forskare inom nanooptik få vara med och utveckla vissa av dessa. Jag kommer här att visa ett axplock av nanooptikens användningsområden, från nya medicinska instrument till energieffektiva displayer, och vidare till mer exotiska koncept, likt den osynlighetsmantel man finner i Harry Potter.

Att böja ljus med nanopartiklar

De flesta tänker kanske på solen eller en lampa när de hör ordet ljus. Ljus har dock gjort världen ljusare på fler sätt än genom att lysa upp den. Inte minst har förmågan att böja ljus hjälpt oss att förstå vår omvärld. Att ljus böjs när det går från ett material till ett annat var känt redan för över 2000 år sedan och även att principen kan utnyttjas för att förstora bilder med hjälp av linser. Jag tänker förstås här på den typ av linser som böjer ljus, men namnet härstammar faktiskt från de linser man äter, som har en liknande form.

Ett stort genombrott kom i och med 1600-talets optiska mikroskop, som gjorde att vi kunde börja studera saker vi inte ens visste fanns. Det gav oss inblick i en ny mikroskopisk värld full av miniatyrdjur, bakterier och andra små saker man nog tidigare inte kunnat föreställa sig. Inte minst revolutionerades vår syn på livet självt genom upptäckten av livets byggsten: cellen.

Även om dessa och senare landvinningar har varit oerhört viktiga för vårt samhälle, så finns det fortfarande utrymme för och behov av förbättringar av hur vi kan kontrollera ljus. Det finns flera begränsningar med traditionell optik, som att traditionella glaslinser kräver krökta ytor för att fokusera ljus. Det är glaslinsens krökta yta som gör att den böjer ljus olika mycket baserat på hur långt från centrum ljuset träffar linsen, vilket används för att fokusera ljuset.

Med nanooptik kan man istället böja och fokusera ljus med supertunna så kallade metalinser som enbart har krökningar på nanoskalan. Metalinser använder olika typer av nanostrukturer för att abrupt påverka ljusets fas när det svischar förbi. Ljusets fas hänger ihop med ljusets vågliknande natur, och syftar på var på vågen (dal, topp, eller någonstans däremellan) ljuset befinner sig vid en viss tidpunkt och plats. Fasen hos ljus som passerar en nanostruktur ändras lite grann, och storleken på den förändringen beror på nanostrukturens geometri och andra detaljer. Genom att belägga en yta med en massa olika väl valda nanostrukturer kan man därför ändra fasen olika mycket på olika ställen när ljuset passerar genom ytan. Lite förenklat ger det en liknande effekt som att ha olika krökning på olika ställen. Konceptet kan därför användas för att fokusera ljus, med en i princip plan yta som bara är några tiotals eller hundratals nanometer tjock.

Dessa supertunna metalinser kan komma till nytta i många olika sammanhang, såsom i små optiska instrument för medicinska tillämpningar. Konceptet kan också användas till hologram och andra optiska komponenter än linser, eller för att framställa ytor och material med optiska egenskaper som inte ens går att finna i naturliga material. Material med negativt brytningsindex är ett fascinerande exempel, som kan komma att göra det möjligt att gömma objekt likt Harry Potters osynlighetsmantel.

Fokus på nanoskalan 

Vid slutet av 1800-talet upptäckte den tyske fysikern Ernst Abbe en fundamental begränsning med traditionella linser. Oavsett kvalitet på linsen så fann han att ljuset inte kunde fokuseras till ett mindre område än ungefär hälften av ljusets våglängd. (Våglängden motsvarar längden för en hel period av ljusets vågliknande form, till exempel från topp till topp.)

I praktiken betyder det att klassiska optiska mikroskop inte kan urskilja detaljer som är mindre än några hundra nanometer.

Man kan tycka att det redan låter som en ganska bra upplösning, men det är en betydande begränsning för flera användningsområden, inte minst vid studier av biologiska processer som ofta sker i avsevärt mindre skala än så. För att kunna urskilja mindre saker behöver man ta till nya knep, som att använda elektroner istället för ljuspartiklar. Elektroner har betydligt kortare våglängd än synligt ljus och möjliggör mikroskop med högre upplösning innan Abbes begränsning sätter in. Ett annat sätt är att utnyttja nanooptik.

Något förenklat kan nanostrukturer av guld och andra metaller användas för att fånga in och fokusera ljus till väsentligen mindre områden än vad som är möjligt med vanliga linser. Processen leder till starka optiska fält i nanoskopiska volymer, som möjliggör nya typer av mikroskopi där man kan urskilja detaljer långt mindre än vad som är möjligt med vanliga optiska mikroskop.

Allt ljus på nanopartiklarna

När man belyser en metallisk nanopartikel kan man se det som att ljus samlas in från ett relativt stort område och trycks ihop till ett optiskt fält i en pytteliten volym runt partikeln. Det optiska fält som uppstår runt partikeln blir därför kraftigt förstärkt jämfört med styrkan på det infallande ljuset. Särskilt starka fält blir det mellan närliggande nanopartiklar, där den lokala ljusintensiteten kan vara flera tusen gånger högre än hos ljuset som belyser partiklarna.

Dessa ljusstarka områden kallas optiska hot spots och de kan användas i många viktiga tillämpningar. Inte minst kan de förstärka andra optiska fenomen som annars är mycket svaga och svåra att använda. Ta till exempel optiska mätmetoder vars signaler kan agera som optiska fingeravtryck för olika ämnen. De kan användas till att identifiera olika typer av biomolekyler, droger eller andra substanser, men signalerna är vanligtvis mycket svaga. Nanooptiska hot spots kan hjälpa till genom att förstärka ljusinteraktionen så att signalerna blir många storleksordningar större och därmed lättare att läsa av. Man har till och med lyckats detektera enskilda molekyler genom att förstärka signaler med den här principen. Förstärkning av olika kemiska processer är en av flera andra viktiga tillämpningar där nanooptiska hot spots visat sig vara användbara.

Må kraften vara optisk

Märker man om någon blinkar med en ficklampa mot ens kropp om man har ögonbindel på sig? Eventuellt kan man känna värmen från ljuset, men troligtvis ingen fysisk kraft som från en vattenstråle eller fläkt. Det beror dock inte på att krafterna inte finns, utan på att de är för små. Ljus utövar nämligen fysiska krafter på objekt de interagerar med. Det förstod astronomen Johannes Kepler redan på 1600-talets tidigare del, då han föreslog att det är fysiska krafter från solens strålar som gör att kometers svansar pekar bort från solen.

Optiska krafter hänger ihop med att ljuset inte bara har energi, utan även bär med sig rörelsemängd i sin färdriktning. (Till skillnad från energi så har rörelsemängd en riktning. Engelskans översättning momentum används ofta i dagligt tal för att beskriva just att något fått fart i en viss riktning, även syftande på mer abstrakta saker. I svenskan använder vi oftare komma i rullning, vilket kanske ligger närmare rörelsemängdsmoment hos roterande objekt.)

Fysikens lagar visar att rörelsemängden alltid bevaras. Om ljus absorberas eller reflekteras av ett objekt överförs därför ljusets ursprungliga rörelsemängd till objektet, vilket leder till en kraft på objektet i samma riktning. Man kan tänka sig ljuset som små partiklar som krockar med och sätter fart på objektet. I speciella fall är de här optiska krafterna stora nog att ha avgörande påverkan, dock inte i fallet med ficklampan ovan.

I en fokuserad ljusstråle uppstår en liknande optisk kraft, men i stället för att tryckas bort från ljuset som i fallet med kometsvansarna ovan, gör den att objektet dras mot den ljusstarkaste punkten (fokalpunkten) och på så vis fångas in i ljusstrålen. Den här kraften kommer sig av att det fokuserade ljusets intensitet ändras snabbt i rummet, vi säger att det har en hög gradient.

Genom att fokusera ljus med mikroskop kan effekten utnyttjas till en slags optisk pincett för att fånga in och manipulera små föremål, till exempel mikroskopiska partiklar eller celler i en vätska. Likheten med de strålar som används i science fiction som Star Wars för att fånga in rymdskepp och annat är slående, om än i vårt fall på mikroskalan. Sedan den optiska pincettens intåg på 1980-talet har den möjliggjort många viktiga vetenskapliga genombrott, inte minst genom studier av olika biologiska system, som dna-molekyler där ena eller båda ändarna modifierats med mikroskopiska partiklar som kan manipuleras med optiska pincetter. Utvecklingen av den optiska pincetten och dess tillämpning för att studera just biologiska system belönades med Nobelpriset i fysik 2018.

På grund av Abbes begränsning för hur små områden ljus kan fokuseras, kan inte den klassiska optiska pincetten göras mindre än några hundra nanometer. Den klassiska optiska pincetten är också begränsad när det gäller att manipulera riktigt små objekt, som proteiner och andra biomolekyler.

För att kringgå Abbes begränsning och fånga in mindre objekt i mindre volymer så behöver vi återigen gå bortom den traditionella optiken och in i nanooptikens värld.

Tidigare beskrev jag hur nanopartiklar av metall kan fånga in och förstärka ljus i mycket små volymer. Om man närmare studerar hur det optiska fältet ser ut kring en sådan nanopartikel märker man att det är starkast vid partikelns yta och sedan avtar mycket snabbt från partikeln, inom tiotals nanometer från ytan. Det ger upphov till mycket kraftiga ljusgradienter och därmed optiska krafter på objekt i dess närhet, likt krafterna från ljus som fokuserats genom ett vanligt mikroskop. I jämförelse med den klassiska optiska pincetten så kan den nanooptiska pincetten göras ännu mindre och fånga in ännu mindre objekt. Forskare försöker nu använda principen för att fånga in så små objekt som enstaka proteinmolekyler (cirka 5 nanometer i diameter, eller cirka 10 000 gånger mindre än tjockleken på ett hårstrå). När den nanooptiska pincetten används i kombination med tekniker för att detektera och studera molekyler skapas nya möjligheter för att öka förståelsen för livets allra minsta beståndsdelar, och hur dessa interagerar med varandra.

Nanooptik – ett hett område

Ljus är energi och man kan undra vart energin tar vägen när ljus fångats in och samlats i en pytteliten volym kring en nanopartikel av exempelvis guld. Det visar sig att en del av den optiska energin omvandlas till värme, som värmer både nanostrukturen och området runt omkring. Det betyder att nanopartiklar kan användas som nanosko- piska värmekällor kontrollerade av ljus.

Potentiella tillämpningar för sådana nano-doppvärmare är fler än man skulle kunna tro och varierar från nya sätt att rena vatten till fotodynamisk cancerterapi. Genom att belägga glasytor med nanopartiklar som är genomskinliga för synligt ljus och istället värms upp av den osynliga infraröda delen av solljuset kan principen användas till att konstruera soluppvärmda fönster och glasfasader med reglerat värmeinsläpp. Sådana och liknande smarta ytor kan i framtiden komma att bidra till minskad energiåtgång för både uppvärmning och luftkonditionering, beroende på klimat och årstid. Samtidigt finns det även sätt att omvandla den värmeutveckling som sker i ytorna till elektrisk energi.

Den färgglada nanovärlden

Genom förmågan att separera och detektera ljusets olika färger har vi genom tiderna lärt oss otroligt mycket om vår omvärld, från det mikroskopiskt lilla till det astronomiskt stora bortanför vår egen planet. Även här kan nanooptiken bidra, genom tillämpningar baserade på de färger som uppstår när man krymper material som guld till nanoskalan.

Om man delar en guldklimp i tillräckligt små bitar så byter den nämligen färg. Nere på nanoskalan slutar guldet att vara guldfärgat i vardaglig mening och börjar istället glimra i nya kulörta färger. Detsamma gäller för andra metaller, som silver, koppar och aluminium. Återigen är det den speciella interaktionen mellan ljus och metalliska nanopartiklar som ger upphov till färgerna och det beror på att interaktionen främst sker för vissa specifika färger (det vill säga för ljus med viss energi). De specifika färgerna absorberas och sprids av nanopartiklarna medan ljusets andra färger tillåts passera utan större påverkan. Det leder till att nanopartiklar av guld och andra ädelmetaller skiner i vackra färger. Fenomenet användes redan på medeltiden till att färga glas, vilket man än idag kan se genom fönster i gamla kyrkor och andra byggnader från den tiden. Långt senare förstod man att den här medeltida konsten faktiskt är nanoteknik. Uppkomsten av färger på nanoskalan exemplifierar att nanovetenskap och nanoteknik inte bara handlar om att göra saker mindre, utan framför allt om att studera och använda nya fysikaliska effekter som uppkommer när saker blir mycket små.

Med hjälp av dagens sofistikerade metoder för att framställa nanopartiklar och nanostrukturerade ytor av önskad storlek, form och komposition, har vi god kontroll över dess färger, vilket har använts för att producera färgbilder med världsrekord i upplösning (extrem detaljskärpa). Sådana ultraupplösta bilder kan visa information som inte syns för blotta ögat och till exempel användas för säkerhetsmärkning.

En annan intressant tillämpning för nanooptiska färger är energieffektiva displayer. Likt den typ av svartvita läsplattor (elektroniskt papper) som man kan hitta i handeln idag, baseras dessa displayer på reflektion av ljus från omgivningen istället för att de själva producerar och sänder ut ljus. Det gör dem både strömsnåla och passande i ljusa och till och med soliga miljöer (vi har väl alla någon gång haft problem att läsa på en datorskärm i soligt väder). Genom att kombinera färgglada nanooptiska ytor med organiska polymerer som kan ändra sin genomsläpplighet för ljus försöker nu mina kollegor och jag att utveckla elektroniskt papper i färg, där polymeren används för att slå av och på reflektionen från nanoytan. (Polymerer är kemiska föreningar som består av långa kedjor byggda av upprepade mindre enheter, monomerer. Polymerer i form av konstruktionsmaterial kallas i dagligt tal för plaster)

När man började färga glas med metalliska nanopartiklar anade man knappast att de vackra färgerna i framtiden skulle komma att användas för biomedicinsk analys. Tittar man närmare på de fysikaliska principer som ger upphov till färgerna blir det dock klart att nanofärgerna kan användas som sensorer för att studera hur biomolekyler interagerar med varandra. Dessa sensorer baseras på att färgen hos en metallnanopartikel inte bara bestäms av partikeln själv (storlek, form och sorts metall) utan även av dess omgivning. Det betyder att färgen ändras om något fastnar på partikeln, antingen direkt eller på receptorer som redan sitter fast på partikeln. Det gör det möjligt att detektera och mäta koncentrationer av olika substanser (som till exempel proteiner eller virus) i form av små färgförändringar hos nanopartiklarna.

Läkemedelsutveckling och medicinsk diagnostik är två av flera potentiella användningsområden för sådana sensorer. 

Ljuset i nanotunneln

Det är svårt att föreställa sig en värld utan ljus. Det är svårt att ens hitta exempel på situationer där ljus eller kunskap om ljus inte involveras på ett eller annat sätt. I det här kapitlet har jag gett exempel på hur vi med nanofysikens och nanoteknikens hjälp kan kontrollera och dra nytta av ljus ända ner till nanoskalan och därmed överbrygga begränsningar hos traditionell optik.

Det är viktigt att poängtera att de praktiska tillämpningar som vi ser växa fram idag baseras på kunskap som samlats under lång tid och uppkommit i många olika och ibland oväntade sammanhang. Likt de flesta saker omkring oss möjliggörs dagens nanooptiska tillämpningar av att vi genom årens lopp nyfiket studerat och etablerat en samlad ökad förståelse för vår omvärld. En av de mest spännande sakerna med att vara forskare är just att få undersöka olika fascinerande fenomen omkring oss, med målet att förklara och beskriva hur de fungerar, lära oss att tämja dem och kunna dra nytta av dem på olika sätt, och kanske bidra till att lösa utmaningar vi ännu inte känner till. Jag ser särskilt fram emot att se vad nanooptiken kommer att bidra med i framtiden. Något som är säkert i min mening är att framtiden ser ljus ut!” 

Magnus Jonsson är docent i organisk elektronik vid Linköpings universitet och forskningsledare för organisk fotonik och nanooptik på Laboratoriet för organisk elektronik. Han är ordförande 2019–2020 och ledamot i Sveriges unga akademi 2015–2020.

Sveriges unga akademi samlar några av Sveriges främsta forskare. 2019 gav akademin ut antologin Ett Kalejdoskop av kunskap med texter av ett 20-tal ledamöter. F&F har fått tillåtelse att publicera tre av texterna under sommaren 2020 under vinjetten boklördag.     

Boken ges ut av Santerus förlag och vill du köpa den kan du klicka här.

Ett kalejdoskop av kunskap – Magnus Jonsson

Magnus Jonsson är docent i organisk elektronik vid Linköpings universitet.

Han är ordförande för Sveriges unga akademi, 2019–2020, och ledamot 2015–2020.

Sveriges unga akademi samlar några av Sveriges främsta forskare. 2019 gav akademin ut en antologi med texter av ett 20-tal ledamöter. F&F har fått tillåtelse att publicera tre av texterna under sommaren 2020 under vinjetten boklördag.    

Boken ges ut av Santérus förlag och vill du köpa den kan du klicka här.