ENGINEERINGNET.BE - Bij Förster-resonantie-energieoverdracht (FRET) springt energie rechtstreeks en zonder straling van het ene molecuul naar een specifiek buurmolecuul, via een onzichtbare wisselwerking tussen hun elektrische velden. Hierbij gaat geen energie verloren.
Maar FRET werkt alleen over heel kleine afstanden van enkele nanometers. Onderzoekers van TU Eindhoven wisten deze reikwijdte echter te vergroten tot enkele millimeters.
De aanpak van het team is gebaseerd op een verschijnsel dat bekendstaat als 'bound states in the continuum' (BICs).
Dit zijn elektromagnetische golven die, door een precies uitdovingseffect, volledig op een oppervlak gevangen blijven en geen energie naar buiten uitstralen.
Ze zijn aanwezig, maar onzichtbaar voor de buitenwereld en blijven uitzonderlijk lang intact.
Om hier gebruik van te maken, bouwden de onderzoekers een vlak oppervlak van microscopisch kleine goudstaafjes op glas, in een nauwkeurig gerangschikt patroon.
Als een van hun speciaal gebouwde meetpennen dit oppervlak op de juiste frequentie aanraakte, wekte dat een BIC-toestand op die energie stralingsloos transporteerde naar een detectiepen twee millimeter verderop.
Dit transport vindt plaats via resonanties in de goudstaven. Normaal stralen resonanties fotonen uit naar de buitenwereld, waardoor energieoverdracht inefficiënt wordt.
Door gebruik te maken van BICs blijft de energie echter volledig aan het oppervlak gebonden, wat de energieoverdracht juist zeer efficiënt maakt. Precies zoals bij FRET dus, maar over een afstand waarvan men dacht dat zoiets niet kon.
De overdracht is sterk richtingsafhankelijk en wordt bepaald door de oriëntatie van de goudstaafjes: langs één richting reist de energie moeiteloos over de volle twee millimeter, terwijl dit in de richting loodrecht daarop al na een fractie daarvan wegvalt.
Die ingebouwde voorkeur voor één richting zouden toekomstige apparaten kunnen benutten om energie gericht te sturen, zoals een stroomcircuit dat elektra in één richting leidt.
Wat de uitkomst verder interessant maakt, is dat de overdracht plaatsvindt op een vlak oppervlak bij kamertemperatuur, zonder optische golfgeleiders, glasvezels of cryogene koeling.
Ook blijft de informatie die wordt gedragen door de aangeslagen toestand onderweg intact, terwijl die van het ene goudstaafje naar het volgende springt.
Het experiment van deze sterk vergrote energieoverdracht met resonante goudstaafjes laat zien dat elektromagnetische golven aan het oppervlak kunnen worden opgesloten.
Dit kan direct worden toegepast in uiterst gevoelige sensoren om afzonderlijke moleculen met ongekende precisie te detecteren.
In de toekomst zou het mogelijk moeten zijn om twee moleculen die ver uit elkaar liggen met elkaar te koppelen. Ook veel grotere groepen zouden aan elkaar kunnen worden verbonden.
Zo kunnen supermoleculen ontstaan die zich hetzelfde gedragen. Deze coherente supermoleculen zouden de manier waarop chemische reacties verlopen, kunnen veranderen.
Daarmee ontstaat een nieuw speelveld voor de chemie. De resultaten van het onderzoek brengen ook toepassingen in quantumcommunicatie, zonne-energie en medische sensoren dichterbij.
Op de illustratie boven: detail van de detectiepen uit het onderzoek, tien keer vergroot met een optische ('gewone') microscoop. In werkelijkheid is de pen slechts enkele honderden micrometers lang. Honderd micrometer is 0,1 millimeter.
