Lysstråler over håndflade

Zo wordt het licht afgericht

Golf en deeltje tegelijk, zichtbaar én onzichtbaar – licht heeft tal van raadselachtige eigenschappen, die wetenschappers nu gebruiken om doorbraken te bereiken in onder meer schermtechnologie, energieopslag en kankertherapie.

Golf en deeltje tegelijk, zichtbaar én onzichtbaar – licht heeft tal van raadselachtige eigenschappen, die wetenschappers nu gebruiken om doorbraken te bereiken in onder meer schermtechnologie, energieopslag en kankertherapie.

Shutterstock

Verlichting

Wit laserlicht wordt het nieuwe peertje

Lasers zijn preciezer en zuiniger dan de leds die nu in tv-schermen en lampen zitten.

Tot voor kort was het echter alleen mogelijk om gekleurd laserlicht te maken, maar nu zijn wetenschappers van Arizona State University erin geslaagd een kristal te creëren dat wit laserlicht geeft.

Het kristal zendt drie kleuren uit, rood, groen en blauw, maar met behulp van spiegels worden ze gemengd tot een wit eindresultaat.

Het nieuwe laserkristal is vijf keer zo dun als een mensenhaar en is gemaakt van nanovelletjes: laagjes die bestaan uit legeringen van zinksulfide, cadmiumsulfide en cadmiumselenide.

De nanotechnologie, die MSHN (Multi-Segment Heterostructure Nanosheets) heet, vertoont tot 70 procent meer kleuren dan leds en is veel zuiniger.

Daarmee kan MSHN de opvolger worden van ledlampen, en schermen voor computers en smart­phones een groter contrast en een diepere kleurverzadiging geven.

kadmiumselenid og zinksulfidpulver
© Claus lunau

Poeder gaat in verhitte buis

Een gesloten buis wordt zodanig verhit dat de temperatuur binnenin wisselt. Bij 840 °C wordt poeder van cadmiumselenide (CdSe) geplaatst en bij 980 °C zinksulfidepoeder (ZnS).

Jerstang med silicium danner krystal
© Claus lunau

Staaf gaat heen en weer

Een ijzeren staaf met silicium gaat in de buis heen en weer. De elementen Zn, Cd, S en Se hechten zich elk op hun temperatuur aan silicium en vormen zo een kristal met een laagjesstructuur.

Farver bliver til hvidt lys
© Claus lunau

Rood, groen en blauw zijn samen wit

Het kristal is vijf keer zo dun als een mensenhaar. Als het belicht wordt, zenden de laagjes elk op hun eigen golflengte licht uit, respectievelijk rood, groen en blauw – en leveren ze samen wit laserlicht op.

Witte laser maakt ook het draadloze internet van de toekomst, lifi, veel sneller. Lifi werkt met lichtpulsen in plaats van radiogolven.

Lifi met leds kan 10 keer zo snel worden als wifi, en door over te stappen van leds naar witte laser wordt de snelheid nog eens 10 tot 100 keer zo groot.

Heldere kleuren met stippeltjes

Kwantumstippen, quantum dots, zijn nanodeeltjes van een halfgeleidermateriaal dat licht in diverse kleuren uitzendt, afhankelijk van de stipgrootte.

Zo geeft een kwantumstip met een diameter van 2 nanometer (miljardste meter) blauw licht als het verlicht wordt. De kwantumstippen geven tv- en smartphoneschermen betere kleuren doordat hun spectraallijnen (de pieken in de grafiek hieronder) smaller zijn.

De drie primaire kleuren rood, groen en blauw zijn dan beter van elkaar te onderscheiden, waardoor er meer nuances weergegeven kunnen worden.

kvantepunkter i forskellige farver

©

Grootte van stip bepaalt de kleur

De grootte van een kwantumstip bepaalt welke kleur deze uitzendt. Met een diameter van 2 nanometer zendt de stip bijvoorbeeld blauw licht uit en met 7 nanometer rood licht.

Kwantumstippen zijn bovendien zuiniger. In een gewoon ledscherm komt het licht van een achterpaneel, dat blauw licht uitzendt door een gele laag fosfor.

Door het fosfor te vervangen door kwantumstippen die tot 99,6 procent van het licht opnieuw uitzenden, gaat er minder energie verloren. Dat maakt het scherm helderder – en zuiniger.

Gezondheid

mand får lysterapi

Lichttherapie activeert met een lamp het kankermedicijn. Nu valt de cel zelf ook te belichten.

© RapidEye/Getty Images

Licht gaat recht op kanker af

Borstkanker zaait zich vaak uit in het beenmerg, waar het moeilijk is om de kankercellen te bestrijden zonder vitale stamcellen te doden.

Nu zijn onderzoekers van Washington University in de VS erin geslaagd om kanker doelgericht met licht te bestrijden.

Het medicijn dat ze gebruiken, is onschadelijk totdat het wordt blootgesteld aan licht. Met lichttherapie worden al tumoren dicht op de huid behandeld.

Het medicijn wordt daarbij geactiveerd door de patiënt met blauw of rood licht te beschijnen, maar met de nieuwe methode wordt het medicijn in de cel zelf verlicht

Kapsler fører medicin ind i kræftceller
© claus lunau

Capsule brengt medicijn tot in de kankercel

Nanocapsules met een lichtgevoelig kankermedicijn hechten zich in het beenmerg aan een molecuul op de kankercellen en dragen het medicijn eraan over.

Kræftceller sluger radioaktive stoffer
© claus lunau

Hongerige cel slokt radioactieve stof op

De radioactieve stof FDG wordt in het beenmerg geïnjecteerd. Omdat kankercellen een veel hogere stofwisseling hebben dan andere cellen, nemen ze er veel meer van op.

Blåt lys aktiverer medicin i celler
© claus lunau

Blauw licht activeert het medicijn in de cel

De radioactieve stoffen zenden ultraviolet en blauw licht uit, dat het lichtgevoelige medicijn in de kankercel activeert en de cel doodt. De beenmergstamcellen gaan vrijuit.

Eerst wordt een medicijn met nanocapsules ingebracht in het beenmerg.

Op die capsules zit LLP2A, een stof die zich hecht aan het molecuul VLA-4 op de kankercellen.

Daarna wordt de radioactieve stof FDG, fluorodeoxyglucose, in het beenmerg geïnjecteerd en opgenomen door GLUT-eiwitten op de kankercellen.

FDG zendt licht uit dat het medicijn in de cel activeert. Omdat de stamcellen in het beenmerg niet dezelfde combinatie van het VLA-4-molecuul en het GLUT-eiwit hebben als kankercellen, lopen die geen schade op.

Laser schiet per seconde 80 malariamuggen dood

Er komt een nieuw wapen aan in de strijd tegen malariamuggen en andere insecten die ziekten overbrengen.

Photonic Fence is een laserkanon dat insecten buiten herkent met een videocamera, leds en laser – en ze afschiet.

Laserkanon der skal dræbe malariamyg

© Emma R. Mullen et al./Optical Society of America

Het laserkanon identificeert malariamuggen aan hun vleugelslag en schiet ze af.

De uitvinding is nog niet voltooid, maar bestaat uit twee onderdelen: een identificatiemodule die de juiste insecten uitzoekt en een opsporingsmodule die kijkt of de insecten zich op schootsafstand bevinden.

De opsporingsmodule heeft een camera, infrarode leds en een film die het infrarode licht van een muur reflecteert.

De camera is aangesloten op een computer met beeldanalysesoftware, die het silhouet van een mug herkent wanneer het weerkaatste licht op hem valt.

De opsporingsmodule registreert de positie van het insect, en vuurt op basis van de coördinaten een groene laserstraal op de mug af, terwijl een fotodiode registreert met welke intensiteit het licht afketst op de vleugelslag.

Op basis van de frequentie van de vleugelslagen is de insectensoort te bepalen, en als het een malariamug is, schiet de laser hem dood.

Het prototype schakelt 80 muggen per seconde uit, maar dat moeten er nog veel meer worden.

Microscoop verhelpt schaduw

Lichtgolven die op weefsel stuiten, kunnen zichzelf daarna reconstrueren dankzij een nieuw type microscoop dat het lichaam vanbinnen veel scherper weergeeft.

Wanneer het licht in een optische microscoop op een object valt, verschijnt er een schaduw achter.

Dit fenomeen, diffractie, ontstaat doordat lichtgolven worden afgebogen door de randen van het object en dan alle kanten op gaan.

sløret billede af malariaparasitten

© Shutterstock

Het licht in een lichtmicroscoop werpt schaduwen die het beeld vertroebelen, zoals op deze close-up van de malariaparasiet. Een nieuw type lens kan de schaduwen weghalen.

Maar onderzoekers van de universiteit van Freiburg en het bedrijf Leica Microsystems in Duitsland laten nu het licht aan de andere kant van het object weer verschijnen.

Met een kegelvormige lens creëren ze een zogeheten Bessel-bundel, die zichzelf na de ontmoeting met een obstakel herstelt.

Zo worden schaduwen vermeden, waardoor wetenschappers duidelijke microscoopbeelden krijgen waarin geen gebieden zijn versluierd.

Energie

Forskere lagrer lys som brændstof

Lichtenergie is op te slaan als brandstof, toonden de twee onderzoekers aan met hun fotosynthese.

© Fred Zwicky

Kunstmatige fotosynthese slaat zonne-energie op

De opslag van groene energie is een van de grootste uitdagingen bij de overstap op duurzame energie.

Onderzoekers van de universiteit van Illinois hebben een goede manier gevonden om zonne-energie op te slaan.

Door de energie van licht in brandstof, zoals propaan, te binden met behulp van CO2 en goudnanodeeltjes, bootsen ze de fotosynthese van planten na, waarbij lichtenergie wordt omgezet in glucose.

Het proces haalt CO2 uit de atmosfeer en de wetenschappers ontwikkelen nu nieuwe soorten brandstofcellen die propaan in elektriciteit omzetten zonder CO2 uit te stoten.

Zo zal kunstmatige fotosynthese helpen om de opwarming van de aarde te verminderen.

væske belyses med laser
© Claus lunau

Laser verlicht een vloeistof

Een vloeistof met goudnanodeeltjes, CO2 en watermoleculen wordt belicht met een laser. Die zendt groen licht uit bij een golflengte van 532 nm – het deel van het zichtbare licht dat planten benutten.

elektron starer reaktion
© Claus lunau

Vrij elektron start reactie

De goudnanodeeltjes absorberen het licht en staan zelf elek­tronen af. Ze laten CO2 en water (H2O) met elkaar reageren op dezelfde manier als planten die zonne-energie omzetten in glucose.

vand og kuldioxid bliver til brændstof
© Claus lunau

Brandstof van water en CO2

De reacties tussen CO2 en H2O vormen koolwaterstofverbindingen zoals de brandstof propaan, waarbij de energie van het licht chemisch opgeslagen is en op elk moment in stroom om te zetten valt.

Laser stuurt draadloze stroom naar drones

Een drone die dagen- of wekenlang in de lucht blijft om metingen te verrichten of toezicht te houden, dat is de visie van een nieuwe technologie die stroom draadloos overdraagt door laserlicht naar de drone te sturen vanuit een netwerk van masten op aarde.

Het laserlicht vormt een kegel zo groot als bijvoorbeeld het zonnecelpaneel van een drone. Wanneer het laserlicht op de zonnecellen valt, wordt de energie van de fotonen omgezet in elektrische stroom.

Die wordt nu opgeslagen in een batterij aan boord van de drone, die de motor van stroom voorziet. Hierdoor kan de drone in de lucht opladen.

De lasermast heeft een ingebouwde tracker die de positie van de drone volgt. De stroom voor het netwerk is ook afkomstig van zonnepanelen.

Laser sender strøm til drone

©

Laserlicht zendt draadloze elektriciteit uit

Stroom van zonnecellen op aarde wordt via lasers draadloos naar drones gestuurd.

Het bedrijf achter de technologie, PowerLight Technologies, heeft aangetoond dat een drone die met zijn batterij vijf minuten in de lucht kan blijven, nu ruim 12 uur kan vliegen met één keer draadloos opladen.

Op termijn kan de technologie stroom sturen naar satellieten in een lage baan om de aarde.