Raziskovalci iz Laboratorija za laserske tehnike (LASTEH)  v sodelovanju z Institutom “Jožef Stefan” (IJS) in Univerzo v Coimbri eksperimentalno dokazujejo, da je mogoče učinkovitost pretvorbe svetlobe v zvok v materialu znatno izboljšati in nadzorovati. To izboljšanje je doseženo s prilagajanjem treh ključnih dejavnikov: (1) časovnega trajanja laserske svetlobe, uporabljene za vzbujanje materiala, (2) geometrije fotoakustičnega (FA) vira in (3) narave materiala, ki absorbira svetlobo. Kombinacija pikosekundnega impulznega laserja, grafena in grafena, okrašenega z zlatimi nanodelci v matriki iz polidimetilsiloksana (PDMS) omogoča izvedbo ultrazvočnih pretvornikov z izrednimi lastnostmi in prilagodljivim postopkom izdelave. Namen študije je izboljšati učinkovitost in targetiranje medicinskih terapij z ultrazvokom, ki vključujejo prehajanje makromolekul skozi tkiva in pripravo tumorjev za terapijo. Rezultati so objavljeni v reviji Nano Energy (IF= 16.8).

Raziskovalci laboratorija LASTEH in IJS so razvili dvostopenjski protokol, ki vključuje razpršitev nanoplasti grafena (GR) v PDMS, kar ustvari visoko vpojni kompozit na prožnem substratu. Takšen kompozit kaže razmeroma visoko optično absorpcijo in dobro homogenost tudi pri zmanjšanju debeline pod 10 µm, kar predstavlja prednost pri izdelavi fotoakustičnih pretvornikov. Ključna prednost uporabe grafena (GR) je predvsem njegova dobra stabilnost v različnih topilih, brez potrebe po posebni predpripravi površine ter možnost in situ dekoracije GR z zlatimi nanodelci (AuNP) brez uporabe dodatnih reducentov. Raziskovalci so inovativen protokol uspešno patentirali, patent pa je pred kratkim financiral tudi Evropski patentni urad.

”Film GR/AuNPs/PDMS je prilagodljiv in stabilen vir FA valov, ki deluje pri visokih laserskih fluencah in najvišjem obsevanju 5 GW cm–2. Ta pristop omogoča ustvarjanje ultrazvočnih valov z visokofrekvenčnimi komponentami in visokimi končnimi močmi, hkrati pa obravnava izzive izdelave. Poleg tega so filmi, pridobljeni s PDMS, zelo stabilni in biokompatibilni. To je ključnega pomena za načrtovanje prilagodljivih in minimalno invazivnih orodij, integriranih s konvencionalnimi medicinskimi laserji za biomedicinske aplikacije, katerih cilj je boljša ločljivost slik, učinkovitejša permeabilizacija bioloških membran in fotoakustično podprte medicinske terapije,” je pojasnil dr. Daniele Vella.

Slika: Površinska dekoracija nekaj plasti grafena, interkaliranega s PDMS in obsevanega s 30-pikosekundnim skoraj infrardečim laserjem (levo). Fourierjevi spektri fotoakustičnega signala iz geometrično in optično enakovrednih polimernih filmov z ali brez dekoracije AuNP (desno).

Pasovna širina ultrazvočnih valov nanosekundnega laserskega vzbujanja je običajno omejena s trajanjem impulza. Vendar pa lahko uporaba pikosekundnega laserskega vzbujanja pod omejeno napetostjo povzroči intenzivne, širokopasovne fotoakustične valove. Raziskovalci so v študiji uporabili zelo kratke, pikosekundne, laserske impulze za ustvarjanje zelo visokofrekvenčnih zvočnih valov, s pasovno širino -6 dB (70 MHz) in -20 dB (130 MHz) in najvišjim tlakom > 5 MPa. S tanjšanjem materiala in dodajanjem zlata so povečali disperzibilnost GR plasti v polimerni matriki in hkrati povečali pasovne širine. Ugotovili so, da zmanjšanje debeline vira vodi do povečanja ultrazvočne frekvence, ki ohrani svojo vrednost tudi, ko se fluenca laserja poveča do 150 mJ cm –2. To omogoča ustvarjanje visokih tlakov ob ohranjanju enake pasovne širine. Stabilna frekvenca in amplituda PA valov med več tisoč laserskimi impulzi je pomembna pri medicinskih terapijah, saj zagotavlja ponovljive PA valove med kliničnimi postopki, ki vključujejo permeabilizacijo makromolekul in pripravo tumorja na nadaljnje terapije.

Pojdi na vsebino