Nano Lantern Memungkinkan Aplikasi Cahaya Baru – Cara Mendeteksi Virus

Di

Skema tiga obor nano untuk pembuatan sinar cahaya fokus (kiri ke kanan), lebar lebar, dan berkolimasi. Setiap lentera dapat memiliki aplikasi yang berbeda. Kredit: Robin Singh

Rancangan sistem optik miniatur dapat mengarah pada ponsel masa depan yang dapat mendeteksi virus dan bahkan lebih dari itu.

Dalam pekerjaan yang suatu hari dapat mengubah ponsel menjadi sensor yang mampu mendeteksi virus dan benda kecil lainnya, Dengan para peneliti membangun obor nanometrik yang kuat pada sebuah chip.

Pendekatannya untuk memahami berkas cahaya kecil pada sebuah chip juga dapat digunakan untuk membuat berbagai obor nano lainnya dengan karakteristik berkas sinar yang berbeda untuk aplikasi yang berbeda. Pikirkan fokus lebar versus seberkas cahaya yang difokuskan pada satu titik.

Selama beberapa dekade, para ilmuwan telah menggunakan cahaya untuk mengidentifikasi suatu materi dengan mengamati bagaimana cahaya tersebut berinteraksi dengan materi tersebut. Mereka melakukannya dengan pada dasarnya menyinari materi, kemudian menganalisis cahaya itu setelah melewati materi. Karena semua bahan berinteraksi dengan cahaya secara berbeda, analisis cahaya yang melewati materi memberikan semacam “sidik jari” untuk materi tersebut. Bayangkan melakukan ini untuk warna yang berbeda – yaitu panjang gelombang cahaya yang berbeda – dan menangkap interaksi cahaya dengan bahan untuk setiap warna. Itu akan menghasilkan sidik jari yang lebih detail.

Anu Agarwal

Anu Agarwal adalah salah satu peneliti terkemuka yang terlibat dalam pengembangan obor nano. Kredit: Foto milik Anu Agarwal

Kebanyakan instrumen untuk melakukan ini, yang dikenal sebagai spektrometer, berukuran relatif besar. Membuatnya jauh lebih kecil akan memiliki sejumlah keuntungan. Misalnya, ponsel dapat portabel dan memiliki aplikasi tambahan (bayangkan ponsel futuristik yang dimuat dengan sensor yang berdiri sendiri untuk gas tertentu). Namun, sementara para peneliti telah membuat langkah besar menuju miniaturisasi sensor untuk deteksi dan analisis cahaya yang dilewatkan melalui bahan tertentu, berkas cahaya – atau obor – tetap menjadi tantangan. Sekarang sinar cahaya paling sering disediakan oleh perangkat skala makroskopik seperti sistem laser yang tidak terintegrasi ke dalam chip itu sendiri seperti sensornya.

Sensor lengkap

Masukkan pekerjaan MIT. Dalam dua jurnal terbaru di Laporan Ilmiah Alam, Para peneliti tidak hanya menjelaskan pendekatan mereka untuk merancang obor pada chip dengan berbagai karakteristik sinar, mereka juga dilaporkan membuat dan berhasil menguji prototipe. Yang penting, mereka menciptakan perangkat tersebut menggunakan teknologi manufaktur yang sudah ada yang akrab dengan industri mikroelektronika, sehingga mereka yakin bahwa pendekatan tersebut dapat diterapkan dalam skala besar dengan biaya yang lebih rendah.

Secara keseluruhan, ini memungkinkan industri membuat sensor lengkap pada chip dengan sumber cahaya dan detektor. Akibatnya, pekerjaan tersebut merupakan kemajuan yang signifikan dalam penggunaan fotonik silikon untuk manipulasi gelombang cahaya pada microchip untuk aplikasi sensor.

“Silicon photonics memiliki banyak kemungkinan untuk meningkatkan dan mengecilkan skema biosensing yang ada pada skala bank. Kami hanya membutuhkan strategi desain yang lebih cerdas untuk memanfaatkan potensi penuh mereka. Karya ini menunjukkan pendekatan seperti itu, ”kata kandidat Ph.D. Robin Singh SM ’18, yang merupakan penulis utama kedua jurnal tersebut.

“Pekerjaan ini penting, dan mewakili paradigma baru dalam mendesain perangkat fotonik, memungkinkan peningkatan dalam manipulasi sinar optik,” kata Dawn Tan, seorang profesor di Universitas Teknologi dan Desain di Singapura yang tidak terlibat dalam penelitian ini.

Robin Singh

Robin Singh adalah salah satu peneliti terkemuka yang terlibat dalam pengembangan obor nano. Kredit: Foto milik Robin Singh

Mantan rekan penulis makalah pertama adalah Anuradha “Anu” Murthy Agarwal, ilmuwan peneliti senior di MIT’s Material Research Laboratory, Center for Microphotonics, dan Initiative for Knowledge and Innovation in Manufacturing; dan Brian W. Anthony, ilmuwan riset senior di Departemen Teknik Mesin MIT. Rekan penulis Singh di kartu kedua adalah Agarwal; Anthony; Yuqi Nie, sekarang untuk Universitas Princeton; dan Mingye Gao, mahasiswa pascasarjana di Departemen Teknik Listrik dan Komputer MIT.

Bagaimana mereka melakukannya

Singh dan rekannya membuat konsep umum mereka dengan menggunakan lebih banyak alat pemodelan komputer. Ini termasuk pendekatan konvensional berdasarkan fisika yang terlibat dalam propagasi dan manipulasi cahaya, dan teknik pembelajaran mesin yang lebih canggih di mana komputer diajarkan untuk memprediksi solusi potensial menggunakan sejumlah besar data. “Jika kita menunjukkan banyak contoh nano twists kepada komputer, kita bisa belajar bagaimana membuat twist yang lebih baik,” kata Anthony. Pada akhirnya, “kami kemudian dapat memberi tahu komputer model cahaya yang kami inginkan, dan itu akan memberi tahu kami seperti apa desain obor yang seharusnya.”

Semua alat pemodelan ini memiliki kelebihan dan kekurangan; bersama-sama mereka menghasilkan desain akhir yang optimal yang dapat disesuaikan untuk membuat obor dengan berbagai jenis berkas cahaya.

Para peneliti terus menggunakan konsep ini untuk membuat obor tertentu dengan berkas collimated, atau obor di mana sinar cahayanya sejajar satu sama lain. Balok collimated adalah kunci untuk beberapa jenis sensor. Obor umum yang dibuat oleh para peneliti melibatkan sekitar 500 struktur skala nano persegi panjang dengan ukuran berbeda yang diprediksi oleh pemodelan tim akan memungkinkan untuk radius collimated. Struktur nano dengan ukuran berbeda mengarah ke berbagai jenis balok yang pada gilirannya merupakan kunci untuk aplikasi lain.

Obor kecil dengan balok yang roboh bekerja. Tidak hanya itu, ia memberikan sinar yang lima kali lebih kuat daripada yang dimungkinkan dengan struktur konvensional. Ini sebagian karena “mampu mengontrol cahaya dengan lebih baik berarti lebih sedikit yang tersebar dan hilang,” kata Agarwal.

Singh menggambarkan kegembiraan yang dia alami saat menciptakan obor pertama itu. “Sangat menyenangkan melihat di bawah mikroskop apa yang saya bayangkan di komputer. Lalu kami mengujinya, dan berhasil! “

Referensi:

“Konsep terbalik dari meta-struktur fotonik untuk collimation beam dalam deteksi on-chip” oleh Robin Singh, Yuqi Nie, Mingye Gao, Anuradha Murthy Agarwal dan Brian W. Anthony, 5 Maret 2021, Laporan Ilmiah.
DOI: 10.1038 / s41598-021-84841-2

“Mendesain meta-struktur optik dengan aplikasi untuk rekayasa berkas menggunakan pembelajaran mendalam” oleh Robin Singh, Anu Agarwal dan Brian W. Anthony, 16 November 2020, Laporan Ilmiah.
DOI: 10.1038 / s41598-020-76225-9

Penelitian ini didukung, sebagian, oleh inisiatif MIT Skoltech.

Struktur dan departemen MIT lain yang memungkinkan pekerjaan ini adalah Departemen Ilmu dan Teknik Material, Laboratorium Penelitian Material, Institut Teknik dan Sains Medis, dan MIT.nano.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Menyelidiki lebih dalam tentang asal usul sinar kosmik dengan gerakan Brown geometris

Representasi skema sinar kosmik yang merambat melalui awan magnetik. Kredit: Salvatore Buonocore Model simulasi menyediakan langkah pertama dalam mengembangkan algoritma untuk meningkatkan metode deteksi. Sinar...

Penyerapan elektron terpisah yang ditangkap dalam film

Film menangkap gambar penangkapan elektron terpisah. Kredit: Javier Marmolejo Para peneliti di Universitas Gothenburg telah mengamati penyerapan satu elektron oleh tetesan melayang dengan amplitudo...

Perlindungan probiotik? Bakteri Usus Ditemukan Melindungi Usus Terhadap Virus COVID-19

Para peneliti dari Universitas Yonsei di Korea Selatan telah menemukan bahwa bakteri tertentu yang hidup di usus manusia mengeluarkan obat yang menghambat SARS-CoV-2. ...

Menggali sejarah populasi Neanderthal menggunakan DNA nuklir purba dari sedimen gua

Galeri patung gua di Spanyol utara. Penulis: Javier Trueba - film sains Madrid DNA mitokondria manusia purba telah diekstraksi dari deposit gua, tetapi nilainya...

Sakelar Semikonduktor Berpanduan Laser untuk Komunikasi Generasi Selanjutnya

Insinyur Laboratorium Nasional Lawrence Livermore telah menemukan jenis baru sakelar semikonduktor yang digerakkan oleh laser yang secara teoritis dapat mencapai kecepatan lebih tinggi pada...

Newsletter

Subscribe to stay updated.