Tehnica ar putea deschide noi căi pentru cercetarea în știința materialelor și tehnologia laser
Oamenii de știință au fost mult timp fascinați de culorile vibrante și structurile intricate găsite în penele păsărilor precum păunul indian. Un nou studiu a aruncat lumină asupra unei proprietăți surprinzătoare a acestor pene de coadă iconice: capacitatea lor de a acționa ca niște rezonatori laser minusculi atunci când sunt infuzate cu un colorant fluorescent comun.
Cercetarea, efectuată de cercetători de la mai multe universități din SUA și publicată în Nature, și-a propus să exploreze comportamentul barbulelor din penele de păun – structuri microscopice care ajută la crearea faimoaselor pete oculare irizate ale păsării – atunci când sunt tratate cu colorantul laser rodamină 6G. Scopul a fost de a determina dacă lumina emisă de aceste pene vopsite ar dezvălui informații despre structura biologică subiacentă și dacă cristalele fotonice colorate din penele însele ar putea servi ca mecanisme de feedback pentru a produce lumină laser.
Pentru a efectua experimentul, oamenii de știință au obținut pene naturale de păun, le-au tăiat cu grijă pentru a izola zona petei oculare și au umezit și uscat în mod repetat regiuni specifice cu o soluție care conține rodamină 6G. Acest colorant este bine cunoscut pentru fluorescența sa strălucitoare atunci când este expus la lumină laser verde. Folosind impulsuri de la un laser verde, echipa a iluminat penele pregătite și a colectat lumina emisă printr-un sistem specializat de spectrometru.
Rezultatele inițiale au arătat că simpla colorare a penelor o singură dată nu a fost suficientă – emisia laser a apărut doar după mai multe cicluri de umezire și uscare. Acest lucru a sugerat că atât colorantul, cât și solventul trebuie să pătrundă adânc în barbule și, posibil, să modifice microstructura pentru ca efectul să se manifeste.
Când laserul a fost îndreptat spre diferite părți ale petei oculare, fie că păreau albastre, verzi, galbene sau maro, cercetătorii au găsit vârfuri de emisie laser clare și consistente, în special la lungimi de undă de 574nm și 583nm. Aceste linii s-au remarcat pe fundalul fluorescenței mai largi a colorantului și au apărut în toate probele de pene și regiunile de culoare testate, indicând un efect repetabil și stabil.
Cercetătorii au analizat spectrele de emisie și au constatat că comportamentul laser observat nu se potrivea cu așteptările pentru așa-numiții laseri aleatori, care apar de obicei din medii neregulate, cu împrăștiere mare și generează linii de emisie mai puțin predictibile și variabile. În schimb, penele de păun au produs moduri consistente la lungimi de undă specifice, indiferent de culoarea sau structura locală, determinând echipa să concluzioneze că mecanismul de feedback al laserului nu era același cu cel responsabil pentru culorile irizate ale penelor.
Analiza avansată a liniilor spectrale a sugerat că feedback-ul provine cel mai probabil de la structuri regulate la scară mezoscopică, care persistă în întreaga pată oculară, în interiorul barbulelor penei, nu de la o ordonare a cristalelor fotonice pe distanțe lungi sau de la căi de împrăștiere dispersate aleatoriu. Studiul a exclus explicații alternative, cum ar fi laserele cu mod de galerie șoptitoare, care ar necesita cavități circulare precise, care nu se găsesc în mod natural în penele de păun.
Efectul laser a necesitat, de asemenea, intensități de pompare relativ ridicate, apropiate de sau chiar puțin peste cele găsite în experimentele cu laseri aleatori, dar natura stabilă și repetabilă a emisiei indică o ordine subiacentă în microstructura biologică. Rezultatele arată colectiv că materialele policristaline sau eterogene naturale, odată infuzate cu moleculele potrivite și supuse unui tratament adecvat, pot dezvălui regularități ascunse prin emisie laser.
Deși aplicațiile practice rămân speculative, constatările sugerează o nouă modalitate de a sonda organizarea internă a materialelor biologice complexe prin măsurarea spectrelor lor de emisie laser după infuzia cu colorant. Folosind această tehnică, ar putea deveni posibil într-o zi să se cartografieze sau să se caracterizeze motive structurale „ascunse” sau cavități în interiorul penelor și al altor țesuturi, deschizând oportunități pentru cercetarea în știința materialelor, biofotonică și tehnologii laser bio-inspirate. De exemplu, Nathan Dawson de la Universitatea Politehnică din Florida a declarat pentru Ars Technica că cercetarea ar putea ajuta la crearea de laseri siguri, biocompatibili, pentru uz intern în corpul uman, în detecție, imagistică și terapie.
