Piezofotonski kompoziti na osnovi dvodimenzionalnih materialov za ultrazvočno stimulacijo v bioloških sistemih (2D-UltraS)

Fotoakustična pretvorba svetlobe v zvok, odpira nove možnosti za integracijo miniaturiziranih fotoakustičnih naprav in razvoj minimalno invazivnih orodij z visoko prostorsko natančnostjo v znanosti o življenju. Fotoakustična pretvorba temelji na izjemno hitrem termoelastičnem učinku, ki je odvisen predvsem od absorbirane laserske fluence in koeficienta toplotnega raztezanja materiala. Pomembna zahteva za učinkovitost pretvorbe je, da mora biti optično segrevanje hitrejše od toplotnega raztezanja in difuzije toplote. V projektu predlagamo razširitev raziskav poleg grafena na družino 2D materialov imenovanih dihalkogenidi prehodnih kovin TMDC, ki jih bomo uporabljali za razvoj novih piezofotonskih kompozitov z natančnim nadzorom geometrije, optičnih in mehanskih lastnosti ter fotoakustičnega odziva. V kompozitih nameravamo uporabiti 2D materiale in 2D materiale okrašene s kovinskimi nanodelci razpršene v polimerni matriki. Najbolj raziskan je polprevodniški MoS2 z elektronsko vrzeljo od ~ 1,3 eV (~ 954 nm) do ~ 2,3 eV (~ 539 nm) v primeru enoslojnih kristalov (debeline 0.68 nm). V primerjavi z grafenom, ki absorbira 2 % svetlobe, ima enoslojni MoS2 močan presek ekscitonske absorpcije približno 10 % vpadne svetlobe. Izjemna interakcija svetlobe in snovi, ultrahitra sprostitev fotonosilca ob laserskem vzbujanju in biokompatibilnost MoS2 materiala kažejo, da je zelo obetaven 2D material tudi pri razvoju piezofotonskega kompozita za uporabo v fotoakustiki. S tem se odpira možnost njegove uporabe na številnih novih področjih. Fotoakustični odziv teh vzorcev bo eksperimentalno raziskan v režimu vzbujanja z ns in ps laserskimi bliski za različne 2D-materiale (MoS2, WS2, grafen), z različnim številom plasti, dekoracijami s kovinskimi nanodelci, različnimi polimernimi verigami in debelinami filma. Eksperimentalni del bo podprt s teoretičnimi izračuni za optimizacijo zasnove fotoakustičnega vira in pojasnitve medsebojnega delovanja v fotoakustičnemu odzivu med elektronskimi, optičnimi in toplotnimi lastnostmi. V primerjavi z grafenom pričakujemo, da bo uporaba TMDC in dekoracija z nanodelci povečala učinkovitost fotoakustične pretvorbe, kar bo omogočilo proizvodnjo tanjših fotoakustičnih virov. Naš cilj je razjasniti fotoakustično obnašanje kompozita na osnovi TMDC kot piezofotonskega kompozita in s tem prispevati nova dognanja na področju fizike. Piezofotonska orodja visoke prostorske natančnosti nameravamo uporabiti v inovativnih biomedicinskih aplikacijah. Glede na intenzivnost in obliko valovne oblike ultrazvoka se področja, ki jih nameravamo raziskati, nanašajo na: i) fotoakustične valove z visoko prostorsko natančnostjo, ki se uporabljajo za modulacijo in povečanje intenzivnosti emisij znotrajceličnega mikrolaserja, ii) val, ki se uporablja kot pogonsko sredstvo za manipulacijo z biočrnilom ali celico, vdelano v biočrnilo in bi bilo uporabno za čisto fotoakustično tiskanje, iii) in-vitro raziskave učinka visokofrekvenčnega ultrazvoja na β-amiloidne plake, ki so povezani s Alzhairmejevo boleznijo. Predlagani cilji bodo omogočili razvoj novih tehnologij uporabnih v predvidenih biotehnoloških tovarnah in klinikah prihodnosti, ter nadaljnje interdisciplinarne raziskave minimalno invazivnih optoakustičnih orodij, ki temeljijo na 2D materialih. Za doseganje teh ciljev je zelo pomembna kombinacija komplementarnega raziskovalnega in strokovnega znanja vseh sodelujočih raziskovalnih skupin. Na Fakulteti za strojništvo se bodo aktivnosti glavnega raziskovalca in koordinatorja projekta Daniele Velle (Laboratorij za Lasersko Tehniko), ki ima bogate izkušnje na področju fotoakustike, 2D materialov, spektroskopije in ultrahitrega laserja dopolnjevale z aktivnostmi različnih skupin na Institutu Jožef Stefanu s strokovnim znanjem in izkušnjami na področju sinteze in karakterizacije nanomaterialov in integrirane biofotonike. Poleg tega bodo v raziskave vključene tuje skupine z znanjem na področju fotokemije, biokemije in atomistične simulacije.