Un Minuscule Nanolaser Biocompatible Pourrait Bien Opérer au Sein des Tissus Vivants

Ce nanolaser a le pouvoir de traiter les troubles neurologiques ou agir sur les marqueurs biologiques des maladies sensorielles.

La conception d’un minuscule nanolaser qui peut fonctionner à l’intérieur des tissus vivants sans les endommager.

D’une épaisseur de 50 à 150 nanomètres, le laser ne fait que 1/1000e de l’épaisseur d’un cheveu. À de telles dimensions, le laser peut pénétrer et fonctionner à l’intérieur des tissus vivants, avec la possibilité de détecter des biomarqueurs de la maladie ou encore de traiter des troubles neurologiques profonds, comme l’épilepsie.

Développé par les chercheurs des universités de Northwestern et de Columbia, le nanolaser se montre très prometteur dans le domaine de l’imagerie des tissus vivants. Composé principalement de verre, qui est biocompatible par nature, le dispositif peut également être stimulé par des rayons lumineux de grande longueur d’onde et en émettre unes de plus courtes.

 » Il faut des rayons lumineux de grande longueur d’onde pour la bio-imagerie car ils peuvent pénétrer plus loin dans les tissus que les photons de longueur d’onde visible « , explique Teri Odom, de Northwestern, qui a codirigé cette recherche. « Mais des rayons lumineux de plus courte longueur d’onde sont souvent recommandés dans ces mêmes zones profondes. Nous avons conçu un système optiquement clair qui peut délivrer de manière efficace un laser visible à des profondeurs de pénétration accessibles à des rayons de grande longueur d’onde. »

Le nanolaser peut également opérer dans des espaces extrêmement confinés, y compris les circuits quantiques et les microprocesseurs pour une électronicité ultra rapide et de faible puissance.

L’article a été publié aujourd’hui (23 septembre) dans la revue Nature Materials. M. Odom a codirigé le travail avec P. James Schuck à l’École d’ingénierie de l’Université Columbia.

Alors que de nombreuses applications nécessitent des lasers plus miniaturisés, les scientifiques butent en permanence sur le même obstacle : Les nanolasers ont tendance à être beaucoup moins efficaces que leurs homologues macroscopiques, et ont généralement besoin de longueurs d’onde plus courtes, comme les rayons ultraviolets, pour les actionner.

« C’est mauvais parce que les environnements non conventionnels dans lesquels les gens veulent utiliser de minuscules lasers sont très sensibles aux dommages causés par la radiation UV et la chaleur excessive générée par un fonctionnement inefficace », a déclaré Schuck, un professeur agrégé en ingénierie mécanique.

Odom, Schuck et leurs équipes ont réussi à mettre au point une plateforme pour le nanolaser qui résout ces problèmes en utilisant la conversion ascendante des photons. En conversion ascendante, les photons de basse énergie sont absorbés et convertis en un seul photon de plus grande énergie. Dans ce projet, l’équipe a commencé avec des photons infrarouges à faible consommation d’énergie et « bio-friendly », et les a convertis en rayons laser visibles. Le faisceau laser qui en résulte peut fonctionner à faible puissance et est beaucoup plus petit que la longueur d’onde de la lumière.

« Notre nanolaser est transparent mais peut générer des photons visibles lorsqu’il est éclairé optiquement avec de la lumière invisible par nos yeux », explique Odom, professeur de chimie de Charles E. et Emma H. Morrison au Weinberg College of Arts and Sciences au Northwestern. « Les caractéristiques de l’onde continue à faible puissance ouvriront de nombreuses nouvelles perspectives, en particulier en imagerie biomédicale. »

« Il est fascinant que nos minuscules lasers fonctionnent à des puissances inférieures de plusieurs ordres de grandeur à celles observées dans autres lasers existants », a déclaré M. Schuck.

L’étude, « Ultralow-threshold, continuous-wave upconverting lasing from subwavelength plasmons », a été soutenue par la National Science Foundation (subvention numéro DMR-1608258), le Vannevar Bush Faculty Fellowship du Département de la Défense des États-Unis (subvention numéro N00014-17-1-3023) et le Département américain de l’Energie (DE-AC02-05CH11231). Angel Fernandez-Bravo et Danqing Wang, de Northwestern, sont les deux premiers auteurs de cet article.

Odom est membre de l’Institut international de nanotechnologie de Northwestern, de l’Institut de Chimie des Processus Vitaux et du Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center de l’Université Northwestern.

Références

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0482-5

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