Uczulanie lawinowej emisji fotonów w kolidalnych nanokryształach rdzeń-płaszcz domieszkowanych jonami lantanowców : nowe materiały do obrazowania super-rozdzielczego

Kierownik projektu : profesor Artur Bednarkiewicz

PROJEKT : NCN OPUS 14 2021/43/B/ST5/01244  (2022-07-11 - 2026-07-10)

 W ostatnim czasie potwierdzono zjawisko lawinowej emisji fotonów w nanomateriałach w temperaturze pokojowej [1], wykorzystując nanokryształy domieszkowane jonami tulu, emitujące światło w zakresie NIR (800 nm) przy wzbudzeniu 1064 nm. Ta udana demonstracja natychmiast sugeruje liczne zastosowania biomedyczne, takie jak termometria luminescencyjna, ultraczułe bioczujniki lub nowoczesne metody bioobrazowania. Szczególnie to ostatnie zastosowanie jest interesujące, ponieważ pozwoliło "złamać" limit dyfrakcji światła, co ogranicza rozdzielczość optyczną mikroskopów optycznych. W przeciwieństwie do obecnych metod obrazowania super-rozdzielczego, z wykorzystaniem lawiny fotonów o rozdzielczości ok. 60-80 nm, zastosowano bardzo proste technicznie metody. Jednakże, mimo tej udanej demonstracji, nadal istnieją liczne problemy i wyzwania związane z zastosowaniem tych materiałów, w tym wysoki próg lawinowej emisji, powolny narastanie emisji (ok. 0.1 s na piksel), ograniczona liczba dostępnych barw emisji czy brak komercyjnych instrumentów pomiarowych.

W obliczu tych wyzwań projekt skupi się na dwóch ważnych i nowych aspektach. Po pierwsze, zostaną opracowane nowe nanomateriały lawinowe o ulepszonych właściwościach, wykorzystując nanomateriały typu rdzeń-płaszcz domieszkowane odpowiednią kombinacją jonów lantanowców, planując zaprojektowanie i zsyntetyzowanie nowych nanomateriałów lawinowych wykazujących zwiększoną wydajność, niższy próg emisji, szybszą odpowiedź i wielokolorową emisję. Następnie, najbardziej obiecujące materiały zostaną wykorzystane do demonstracji wielokolorowego obrazowania super-rozdzielczego, korzystając z nowego instrumentu o zwiększonej szybkości obrazowania.

Ogólnie rzecz biorąc, prace proponowane w tym interdyscyplinarnym projekcie przyniosą kilka innowacji. Po pierwsze, planowane jest dogłębne zbadanie procesu lawinowej emisji fotonów z perspektywy procesów fotofizycznych. Po drugie, zostaną zsyntezowane nowe nanomateriały o poprawionych parametrach. Finalnie opracowane nanomateriały zostaną wykorzystane do wielokolorowego obrazowania super-rozdzielczego na nowo zbudowanym mikroskopie. Te fundamentalne badania i prace, napędzane chęcią poznania podstawowych zjawisk fizycznych i ciekawością, wykazują bardzo duży potencjał aplikacyjny, ponieważ techniki super-rozdzielcze już dzisiaj pomagają biologom zrozumieć funkcjonowanie żywych komórek na niespotykanym dotąd poziomie detali. Rola tych metod i materiałów z pewnością wzrośnie w nadchodzących latach, aby pomóc biologom, biochemikom i biotechnologom w projektowaniu nowych leków i odkrywaniu źródeł różnych schorzeń.

Publikacje projektowe:

• M.Szalkowski, A.Kotulska, M.Dudek, Z.Korczak, M.Majak, L.Marciniak, M.Misiak, K.Prorok, A.Skripka, P.J.Schuck, E.M.Chan* and A.Bednarkiewicz* Advances in the photon avalanche luminescence of inorganic lanthanide-doped nanomaterials, Chem. Soc. Rev., 2025, Advance Article
• Magdalena Dudek, Zuzanna Korczak, Katarzyna Prorok, Oleksii Bezkrovnyi, Lining Sun, Marcin Szalkowski, Artur Bednarkiewicz, Understanding Yb3+ sensitized photon avalanche in Pr3+ co-doped nanocrystals: modelling and optimization,Nanoscale 2023,15, 18613-18623
• A Bednarkiewicz, M Szalkowski, M Majak, Z Korczak, M Misiak, S Maćkowski, All-Optical Data Processing with Photon Avalanching Nanocrystalline Photonic Synapse Adv Mater. 2023 Aug 12;e2304390. doi: 10.1002/adma.202304390
• Sensitized photon avalanche nanothermometry in Pr3+ and Yb3+ co-doped NaYF4 colloidal nanoparticles, Z.Korczak, M.Dudek, M.Majak, M.Misiak, Ł.Marciniak, M.Szalkowski, A.Bednarkiewicz, Low Temperature Physics, 2023, vol.49(3)
• Magdalena Dudek, Marcin Szalkowski, Małgorzata Misiak, Maciej Ćwierzona, Artiom Skripka, Zuzanna Korczak, Dawid Piątkowski, Piotr Woźniak, Radosław Lisiecki, Philippe Goldner, Sebastian Maćkowski, Emory M. Chan, P. James Schuck, and Artur Bednarkiewicz* Size-Dependent Photon Avalanching in Tm³⁺ Doped LiYF₄ Nano, Micro, and Bulk Crystals  Adv. Optical Mater. 2022, 2201052
• A. Bednarkiewicz, M. Szalkowski, Photon avalanche in nanoparticles goes multicolour, News&Views, Nature Nanotechnology, (2022) .
• M. Szalkowski, M. Dudek, Z. Korczak, C. Lee, L. Marciniak, E. M. Chan, P. J. Schuck, A. Bednarkiewicz, Predicting the impact of temperature dependent multi-phonon relaxation processes on the photon avalanche behavior in Tm³⁺ : NaYF₄ nanoparticles, Opt Mater X 12 (2021) 100102.
• C. Lee, E. Xu, Y. Liu, A. Teitelboim, K. Yao, A. Fernandez-Bravo, A. Kotulska, S. Hwan Nam, Y. Doug Suh, A. Bednarkiewicz, B. E. Cohen, E. M. Chan, P. J. Schuck, Giant nonlinear optical responses from photon avalanching nanoparticles, Nature, 592 (2021) 7841

Publikacje powiązane:

• A. Bednarkiewicz, E. Chan, K. Prorok, Enhancing FRET biosensing beyond 10 nm with photon avalanche nanoparticles, Nanoscale Adv. 2 (2020) 4863-4872.
• A. Bednarkiewicz, E. Chan, A. Kotulska, L. Marciniak, K. Prorok, Photon avalanche in lanthanide doped nanoparticles for biomedical applications: super-resolution imaging, Nanoscale Horizons 4 (2019) 4, 881-889">881-889 .