På svindlande små skalor sammanför professor Timur Shegai två olika forskningsområden för att kontrollera samspelet mellan ljus och materia. Med hjälp av minimala hålrum fångar hans forskargrupp in ljus och molekyler i en komplex dans, som kan utnyttjas för att skapa svåruppnåeliga fenomen och nya kemiska reaktioner. Forskningen banar väg för allt ifrån läkemedelsutveckling till hållbara energilösningar.
Projektanslag 2024
”Tunable Optomechanical Microcavities with Nanofluidic Access for Photochemistry under Confinement”
Huvudsökande:
Timur Shegai, professor i fysik
Medsökande:
Chalmers
Angela Grommet
Christoph Langhammer
Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola
Beviljat anslag:
24 miljoner kronor under fem år
Mikrokaviteter kallas de extremt små hålrum som är i fokus för professor Timur Shegai och hans forskargrupp, i ett nytt projekt finansierat av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse. De kan beskrivas som resonatorer, eller minimala resonanslådor där ljus studsar mellan väggarna, på samma sätt som ljud studsar i klanglådan på en gitarr.
Projektet kombinerar nanoteknik med fotonik för att kunna förstå och kontrollera reaktioner ända ner på nanonivå. För när ljus och material utforskas på så små skalor går det att studera helt nya egenskaper och interaktioner, något som Timur Shegai har ägnat många år åt att utforska.
– Vi vill skapa, förstå och kontrollera fotokemiska reaktioner som är mycket svåra att uppnå på andra sätt, för att kunna generera nya, användbara molekyler. Det kan framför allt öppna nya möjligheter inom läkemedelsutveckling, men det kan också få betydelse för utvecklandet av exempelvis energilagring och olika hållbara energilösningar, säger han.
Minimal plattform fångar in ljus som möter materia
De senaste åren har Timur Shegai tagit viktiga kliv i sin forskning, genom att utveckla en mångsidig och smidig plattform som fångar in ljus och molekyler i ett spännande samspel. Plattformen består av två speglar som möter varandra i en saltvattenlösning, på ett avstånd som motsvarar en hundratusendel av ett hårstrå. I vätskan mellan speglarna skapas de minimala hålrum som forskarna kan använda för att utforska de fotokemiska fenomenen.
– Det är nästan mirakulöst att arbeta med så små skalor, men det fungerar. Med de här mikrokaviteterna kan vi få ljus i olika våglängder och färg att cirkulera mellan speglarna och interagera med molekylerna, under en längre tid. I denna nanovärld innebär det att ljusets partiklar, fotonerna, till slut absorberas av molekylerna. Processen kan liknas vid det som vi i Sverige gärna gör när ljuset och solen kommer fram: vi går ut och solar, tills pigmentet i vår hud tar upp solljuset och ger vår hud en mörkare ton, säger han.
Via plattformen kan forskarna också öka koncentrationen av molekyler, vilket skapar en mycket stark koppling mellan ljus och materia. Då kan hybridpartiklar bildas, så kallade polaritoner, som består av en blandning mellan ljus och materia. Forskarna kan använda polaritonerna för att styra och påverka de fotokemiska processerna, och det spännande mötet mellan ljus och materia.
De olika processerna i mikrokaviteterna är dock oerhört känsliga, och kan kollapsa om vattenlösningen runt hålrummen har för stark eller svag koncentrationen av salt.
– Med för lite salt blir systemet instabilt, och för mycket salt kan döda det helt och hållet. Så vi behöver vara som kockar på en bra restaurang, och se till att hitta exakt rätt mängd salt i receptet, säger han.
Bättre justerbarhet för olika behov
I det nya projektet ska Timur Shegais projektgrupp vidareutveckla och ytterligare förbättra plattformen, för att kunna öka effektiviteten och omfattningen av de fotokemiska reaktionerna. Ett viktigt mål är att öka justerbarheten i verktyget, så att plattformen kan skapa mikrokaviteter som kan anpassas efter olika behov.
– Det här är ett unikt projekt som innebär en tuff utmaning, för det är väldigt svårt att kontrollera ljuset och hålrummen på dessa nanoskalor. Men projektet har ett fantastiskt team med passionerade forskare – Angela Grommet och Christoph Langhammer på Chalmers – och tillsammans har vi precis de olika kompetenser som behövs för att lyckas, säger han.
Flera tillämpningar i sikte
Utöver att projektet kan generera ny, grundläggande kunskap inom fysik och fotokemi, hoppas Timur Shegai att hans grupp ska lyckas finslipa plattformen för att bli ett ännu bättre och mer flexibelt verktyg i framtagningen av nya läkemedel. En långsiktig förhoppning är att den i framtiden ska kunna användas för att, på ett mycket exakt sätt, studera biologiska interaktioner, till exempel i och mellan celler.
Men framför allt är det samarbetet i projektet, både med de seniora forskarna och med doktoranderna, som är Timur Shegais stora drivkraft.
– Jag tycker verkligen om det gemensamma arbetet med kollegorna i detta projekt. Och det känns bra att den här forskningen bidrar till att öka kunskapen hos nya generationer av forskare, säger han.
Text Ulrika Ernström
Bild Johan Wingborg
