Rezultate
Rezumat Etapa 1
In etapa 1 am prezentat o sinteza a cercetarilor efectuate si a rezultatelor obtinute in Etapa 1. Aceste cercetari au avut ca scop prepararea si sintetizarea de noi biopolimeri cu potential de limitare optica sub forma de solutii/ filme subtiri cu diferite concentratii, si anume biopolimeri pe baza de ADN functionalizat cu cromofori naturali (curcuma, spirulina, piper si sumac)/sintetici. Cromoforii naturali au aparut ca o alternativa pentru inlocuirea colorantilor sintetici, deoarece prezinta multe avantaje in comparatie cu cei sintetici, iar functionalizarea acestora cu ADN duce la cresterea stabilitatii moleculelor de colorant incorporate, facandu-i functionali, versatili si usor de procesat sub forma de film subtire. Au fost realizate filme pe substrat de sticla prin procedura „spin-coating”. Din masuratorile facute s-a observat ca o data cu cresterea concentratiei de cromofori naturali creste grosimea filmului si de asemenea si calitatea optica a suprafetelor filmelor este mai buna. In schimb, in cazul cromoforilor sintetici grosimea filmelor este invers proportionala cu cea a concentratiei. Am efectuat un studiu experimental privind caracterizarea liniara a materialelor inovatoare cu si fara ADN cu laseri in unda continuara si pulsuri, la mai multe lungimi de unda, lungimi care au fost alese in concordanta cu informatiile furnizate de spectrele UV-VIS-NIR ale probelor investigate, in vederea determinarii parametrilor optici liniari, importanti pentru selectarea celor mai bune materiale cu potential de limitare optica si pentru alegerea parametrilor experimentali optimi (lungime de unda de excitare, concentratia optima, grosimea cuvelor in care sunt plasate solutiile/grosime filme, alegerea componentelor optice pentru realizarea montajului experimental, etc). Din spectrele UV-VIS-NIR inregistrate se constata o deplasare a maximelor de absorbtie spre lungimi de unda mai mari si o mica scaderea in intensitate a varfurilor de absorbtie in cazul solutiilor functionalizate cu ADN-CTMA fata de cele fara ADN. Aceste modificari se datoreaza intercalarii si fixarii cromoforilor naturali in spirala de ADN, avantaj care contribuie la cresterea stabilitatii si rezistentei la fotodegradare a sistemului obtinut. De asemenea, concentratia de polimer in solutie nu influenteaza pozitia maximului de absorbtie. Multiplele experimente au relevat ca cele mai bune rezultate se obtin in solutiile cu concentratiile cele mai mari in cazul setului de materiale disponibile si in cuve de dimensiune 1 mm, observatii care vor fi luate in calcul in urmatoarea etapa. Am studiat evolutia temporala a transmisiei/absorbtiei in materialele investigate, la diferite nivele de putere a luminii incidente pe proba si am facut o analiza comparativa a acesteia in materiale cu si fara ADN functionalizat cu cromoforii naturali/sintetici in butanol. Ambele ne ofera informatii pretioase asupra stabilitatii fotochimice a moleculelor de cromofor si asupra proprietatilor liniare ale acestora. Au fost determinati coeficientii de absorbtie si indicii de refractie ai solutiilor investigate. Rezultatele releva legatura intre concentratiile de cromofori si marimea coeficientului de absorbtie. Astfel, marirea concentratiei de cromofori are ca rezultat marirea coeficientului de absorbtie, iar functionalizarea cu ADN-CTMA creste coeficientul de absorbtie, ceea ce demonstreaza inca o data ca aceasta functionalizare ajuta la protejarea moleculelor de cromofori care sunt bine fixate in spirala dubla a ADN-ului. Domeniul valorilor coeficientului de absorbtie poate fi astfel extins/restrans catre valori mai mari/mici in compusii investigati, cu o acordabilitate data de concentratia de cromofori. Prin iradierea probei cu puteri care depasesc pragul de distrugere se observa o transparentizare a solutiei expuse, aceasta putand fi asociata cu intervalul de crestere al transmisiei. Am facut masuratori de fotodegradare ale solutiilor preparate in aceasta etapa. Maximele de absorbtie ale extractelor de curcuma si de spirulina scad pe masura ce creste timpul de expunere indiferent de concentratiile acestora. Pentru extractul de piper am observat o scadere semnificativa a absorbantei dupa primele 30 min de expunere, urmata de o scadere mult mai lenta pana la finalul experimentului. Extractele de sumac cu concentratia de 3g/L in urma iradierii prezinta o degardare foarte lenta, iar pentru 10g/L am observat o scadere a absorbantei considerabila dupa 120 minute expunere. Extractele de piper si sumac sunt foarte stabile.
Rezumat Etapa 2
In acest raport am prezentat o sinteza a cercetarilor efectuate si a rezultatelor obtinute in Etapa 2. Aceste cercetari au avut ca scop investigarea stabilitatii (prag de distrugere) a noii clase de biopolimer acid dezoxiribonucleic (ADN) functionalizat cu diferite concentratii de coloranti naturali (turmeric, spirulina, sumac si piper), sub influenta mai multor factori externi (iluminare UVA, temperatura), pentru a determina parametrii optimi pentru care aceste materiale pot fi folosite. Cromoforii naturali au aparut ca o alternativa pentru inlocuirea colorantilor sintetici, deoarece prezinta multe avantaje in comparatie cu cei sintetici, iar functionalizarea acestora cu ADN duce la cresterea stabilitatii moleculelor de colorant incorporate, facandu-i functionali, versatili si usor de procesat sub diferite forme. In cazul investigarii fotodegradarii sub influenta luminii simulate UVA, din spectrele de absorbtie inregistrate, se poate observa ca pe masura ce timpul de expunere creste, fotodegradarea extractului de Turmeric are loc mult mai rapid decat fotodegradarea ADN-CTMA-Turmeric, aceasta evolutie fiind confirmata printr-o scadere mult mai mare a absorbantei. In acelasi timp, cresterea concentratiei de Turmeric duce la o scadere a ratei de fotodegradare. Studiile de fotodegradare au aratat ca utilizarea combinata a ADN-CTMA cu extract natural de Turmeric are ca rezultat o imbunatatire a fotostabilitatii ADN-CTMA-Turmeric in comparatie cu cea a extractul simplu de Turmeric. In cazul masuratorilor de analiza termica, pentru a determina stabilitatea termica a extractului natural in butanol cu/fara ADN au fost efectuate mai multe cicluri de incalzire a probelor timp de 30 de minute la 60°C. Din analiza spectrelor de absorbtie, se observa ca nu se produc modificari majore induse de incalzirea probelor in domeniul nostru spectral de interes (vizibil si NIR). Prin urmare, putem aprecia ca probele investigate sunt stabile termic. In activitatea 2.2 am efectuat studii experimentale de Z-Scan/I-scan pentru caracterizarea neliniara a probelor sintetizate, folosind laseri in unda continua si laseri pulsati, cu diferite lungimi de unda de interes din domeniile spectrale infrarosu (IR) apropiat si vizibil. Au fost determinati parametrii neliniari specifici (indice de refractie neliniar, coeficient de absorbtie neliniara) ai acestor biopolimeri noi, parametrii folositi in analiza si corelarea caracterului optic neliniar important in investigarea potentialului de limitare optica a acestor materiale noi. Montajul de Z-Scan cu apertura inchisa ne-a permis masurarea transmisiei biopolimerului neliniar printr-o apertura finita ca functie de pozitia z a probei masurata fata de planul focal si astfel am determinat semnul si valoarea indicelui de refractie neliniar al materialului neliniar, n2. Datele experimentale sunt in buna concordanta cu datele prezise de teorie (fit), iar probele cu spirulina prezinta o neliniaritate mai mare decat a celor cu turmeric. Prin masuratori de Z-Scan fara apertura, am masurat dependenta transmisiei tuturor probelor preparate in functie de pozitia acestora si am determinat coeficientul de absorbtie neliniara. Acest coeficient este mai mare in cazul compusilor ADN-CTMA-Spirulina. In ambele cazuri, atat in masuratorile de Z-scan cu apertura cat si fara apertura se observa o crestere a parametrilor neliniari in cazul biopolimerilor pe baza de ADN fata de extractul natural simplu. Acest lucru poate fi datorat absorbtiei puternice a compusului ADN-CTMA la lungimea de unda de 532 nm, rezultand in efecte opto-termice puternice. Aceasta crestere a valorilor subliniaza influenta pozitiva a ADN-ulu in materialele investigate. Potentialul de limitare optica dependent de proprietatile optice neliniare a noii clase de biopolimeri functionalizati cu coloranti naturali a fost investigat prin metoda I-scan, in domeniul spectral NIR la lungimea de unda importanta in telecomunicatii de 1550 nm, folosind pulsuri ultrascurte (~120 fs). Potentialul OL al compusilor pe baza de ADN investigati a fost evaluat prin masurarea intensitatilor de varf transmise ale probelor in functie de intensitatile de varf incidente. O abatere de la transmitanta liniara catre valori mai mici este un indicator al potentialului de OL. In experimentele noastre, dependenta Itrans (peak) a probelor in functie de intensitatile de varf incidente Iinc (peak) arata o tendinta de saturatie. Din datele experimentale se poate observa ca seturile de solutii cu ADN-CTMA-Turmeric/Spirulina au o transmitanta liniara mai mica decat probele care nu contin ADN-CTMA. In acelasi timp, cresterea concentratiei de colorant scade transmitanta liniara. Intervalul de valori al coeficientului de absorbtie poate fi astfel extins/restrans la valori mai mari/mai mici in compusii investigati, cu o ajustabilitate data de concentratia de colorant. Pentru probele cu transmisii liniare diferite, o abatere mai mare de la liniaritate la aceeasi intensitate incidenta, inseamna o limitare mai buna. Experimentele efectuate au relevat faptul ca probele ADN-CTMA-Turmeric/Spirulina prezinta un potential de OL mai bun decat cele fara ADN, datorita abaterii mai mari a saturatiei datelor experimentale de la linia dreapta corespunzatoare transmitantei liniare. Pentru biopolimerii ADN dopati cu Turmeric/Spirulina, trecerea de la regimul liniar la regimul limitator incepe la valori mai mici ale intensitatii incidente si, in consecinta, intervalul de intensitati al regimului de limitare optica este mai larg. Astfel, matricea ADN-CTMA este benefica pentru potentialul OL al noilor biopolimeri.
Rezumat Etapa 3
Cercetarile din etapa a-III-a reprezinta o continuare si o validare a celor desfasurate in etapele anterioare in investigarea functionalitatii de limitare optica in noile materiale dezvoltate si realizate. Ele au avut ca scop analiza comparativa a limitarii optice in noile materiale in vederea selectarii celor mai bune materiale bazate pe ADN functionalizat cu coloranti naturali de turmeric, spirulina, sumac si piper si realizarea unui demonstrator de laborator de limitare optica in biomaterialul selectat.
A fost investigata functionalitatea de limitare optica printr-un studiu comparativ in seturile de solutii si filme realizate atat in anul 2022, cat si in cele realizate in anul 2023, si anume solutii de ADN-CTMA-Turmeric/Spirulina/Sumac/Piper in butanol, cu 30g/L fata de solvent din biopolimerul ADN-CTMA functionalizat cu concentratii diferite de coloranti naturali cat si in solutii cu aceeasi coloranti si concentratii similar, dar fara ADN. Acest studiu comparativ a fost efectuat pentru a determina influenta biopolimerului ADN asupra potentialului de limitare optica.
In vederea verificarii reproductibilitatii rezultatelor obtinute, care confirma potentialul de limitare optica ale materialelor ADN-CTMA-Turmeric/Spirulina/Sumac/Piper, realizate pe baza biopolimerului ADN, au fost repetate experimentele de I-scan in conditii similare celor din 2023.
Potentialul OL al biopolimerilor pe baza de ADN investigati a fost evaluat prin masurarea intensitatilor de varf transmise Itrans(peak) ale probelor in functie de intensitatile de varf incidente Iinc(peak). O abatere de la transmitanta liniara catre valori mai mici este un indicator al potentialului optic limitator. Aceasta proprietate a unui material neliniar este descrisa printr-o transmisie liniara pentru valori mici ale luminii incidente pana la atingerea unei anumite valori de prag a intensitatii incidente, dupa care intensitatea transmisa ramane constanta atunci cand intensitatea incidenta creste. Studiul experimental al potentialului de limitare optica in materiale realizate a permis determinarea unor parametrii liniari si neliniari importanti pentru caracterizarea procesului de limitare optica. Pentru fiecare din probele investigate am determinat transmitanta liniara, TL, coeficientul liniar de absorbtie, a0, intensitatea de saturatie, Isat si coeficientul de absorbtie neliniar, b.
Multiplele experimente de investigare a potentialului de limitare optica realizate in noile materiale au relevat ca cele mai bune rezultate se obtin in materialele cu ADN-CTMA-Turmeric si ADN-CTMA-Spirulina, din setul de materiale dezvoltate si realizate in cadrul acestul proiect.
Pentru a reevalua potentialul de limitare optica ale celor mai bune materiale selectate (ADN-CTMA-Turmeric/Spirulina) prin masuratori de I-scan, am masurat experimental dependenta intensitatilor de varf transmise, Ipeak(trans) de intensitatile de varf incidente, Ipeak(inc), pentru intregul interval de Ipeak(inc) al sursei laser. Deviatia acestei dependente de la liniaritate este o masura a potentialului de limitare optica, o abatere mai mare catre o valoare constanta a Ipeak(trans) indicand o limitare optica mai buna. Din aceste masuratori s-a observat reproductibilitatea foarte buna a rezultatelor. Din panta dependentei liniare, am determinat valorile coeficientului liniar de absorbtie, a0, al fiecarei probe.
Analiza parametrilor liniari și neliniari determinati in urma investigarii potentialului de limitare optica, prin experimente de I-scan, releva legatura intre concentratiile de colorant natural din solutiile analizate si potentialul de limitare optica in acestea. Diferenta dintre valorile parametrilor liniari si neliniari determinati din probele de ADN-CTMA-Turmeric/Spirulina si Turmeric/Spirulina se micsoreaza usor o data cu cresterea concentratiei de colorant, in intervalul de concentratie considerat. Astfel, marirea concentratiei de colorant natural a avut ca rezultat cresterea coeficientilor de absorbtie liniari si neliniari, coeficienti implicati in procesul de limitare optica. Valorile parametrilor optici liniari si neliniari determinati sunt importante in evaluarea potentialului OL al materialelor investigate, solutii de Turmeric/Spirulina in butanol, cu/fara biopolimer ADN-CTMA.
Experimentele efectuate au relevat ca TL este mai mica si, in consecinta, α0 este mai mare, in solutiile de ADN-CTMA-Turmeric/Spirulina decat in solutiile de Turmeric/Spirulina, la aceleasi concentratii. De asemenea, TL este influentata de concentratia de colorant Turmeric/Spirulina. Valorile acestor doi parametri, TL si α0, ai apei la aceeasi lungime de unda, λ = 1550 nm, sunt TL = 0,67046 (la aceeasi grosime, 0,5 mm) si α0 = 7,9959 cm-1. Aceasta comparatie releva faptul ca probele investigate au o absorbtie liniara scazuta, fiind chiar mai transparente decat apa, fapt pozitiv in utilizarea lor ca materiale OL.
Valorile intensitatii de saturatie, Isat, si ale coeficientului de absorbtie neliniar, β, sunt importante pentru raspunsul neliniar de absorbtie al unui material cu potential OL, determinand modul in care transmitanta sa se abate de la liniaritate. In solutiile de ADN-CTMA-Turmeric/Spirulina valorile Isat sunt semnificativ mai mici, iar valorile lui β sunt mai mari decat valorile acelorasi parametri, respectiv, in solutiile de Turmeric/Spirulina cu concentratii asemanatoare, indicand o OL mai buna. Pentru probele cu concentratii diferite, OL este mai puternica pentru cele cu Isat mai scazut. Toate acestea releva influenta benefica a ADN-CTMA asupra potentialului de OL al compusilor ADN-CTMA-colorant in comparatie cu cea a colorantului singur, in doua moduri diferite, unul legat de procesul OL in sine si celalalt legat de procesele de fotostabilitate si procesele de stabilitate termica, procese importante in functionalitatea de limitare optica.
In ceea ce priveste limitarea optica in probele sub forma de filme/membrane realizate, cu grosimi de ordinul catorva sute de nm pana la cateva zeci de mm, aceasta a fost demonstrata si in acest caz.
Analizand toate valorile parametrilor obtinute in urma experimentelor efectuate si luand in considerare faptul ca trecerea de la regimul liniar la regimul de limitare optica incepe la valori usor mai mici ale intensitatii incidente si in consecinta intervalul de intensitate al limitarii optice este mai larg in solutiile de ADN-CTMA-Turmeric fata de celalalte materiale preparate, putem confirma faptul ca materialul selectat care prezinta cea mai buna limitare optica este ADN-CTMA-Turmeric.
Material de promovare
In cadrul proiectului de cercetare “Materiale inovative pe baza de ADN pentru limitare optica”, au fost realizate materiale noi, bazate pe biopolimerul ADN functionalizat cu coloranti naturali de Turmeric/Spirulina/Sumac/Piper, cu proprietati de limitare optica. Au fost concepute si realizate montaje experimentale de laborator, cu ajutorul carora a fost investigata functionalitea de limitare optica, prin metodele I-scan si Z-scan, in noile materiale sintetizate.
Rezultatele obtinute au permis selectarea, din setul de materiale sintetizate, a celui mai promitator material pentru limitarea optica.
A fost realizat un demonstrator de laborator de limitare optica, ce integreaza biomaterialul selectat, cu configuratia experimentala realizata si a fost testata functionarea acestuia de limitare optica in conditii de laborator. Aplicatia principala a functionalitatii de limitare optica este de proteja ochiului uman, senzorii si alte dispozitive optice si optoelectronice sensibile impotriva surselor intense de radiatii laser IR, care le pot deteriora ireversibil atunci cand este depasit un prag de deteriorare de siguranta.
Figura 1. Demonstratorul de laborator de limitare optica in biopolimerul cu ADN functionalizat cu colorant natural si dependenta intensitatilor de varf transmise, Ipeak(trans), in functie de intensitatile de varf incidente, Ipeak(inc), pentru biopolimerul ADN-CTMA-Turmeric in butanol.
Impactul rezultatelor obtinute, cu sublinierea celui mai semnificativ rezultat obtinut.
Obiectivul principal al acestui proiect a fost demonstrarea experimentala a functionalitatii de limitare optica a unei noi clase de biopolimeri organici neliniari, cu proprietati optice controlabile, bazate pe biopolimerul ADN functionalizat cu cromofori naturali pentru aplicatii in fotonica.
Rezultatul cel mai important obtinut in cadrul acestui proiect este legat de obtinerea biopolimerilor noi, pe baza de ADN functionalizat cu coloranti naturali, cu proprietati optice neliniare mari, utilizati in aplicatia fotonica de limitare optica. Biomaterialul realizat si dezvoltat este un material “verde”, obtinut cu costuri reduse, biodegradabil, care datorita proprietatilor sale neliniare remarcabile se incadreaza in domeniul materialelor avansate pentru realizarea dispozitivelor de limitare optica, si cu posibile alte aplicatii in fotonica.
Din punct de vedere stiintific, datorita caracterului puternic interdisciplinar al proiectului care implica diferite domenii de cercetare: optica, stiinta materialelor, fotonica si chimie, investigarea proprietatilor optice liniare si neliniare ale materialelor noi pe baza de ADN aduce noi cunostinte de baza in optica neliniara si stiinta materialelor, cu un impact semnificativ in aplicatiile fotonice, in special in limitarea optica. Acest proiect include aspecte legate atat de cercetare fundamentala, cat si cea aplicativa, oferind noi solutii in utilizarea biopolimerilor pe baza de ADN cu proprietati optice neliniare imbunatatite in diferite aplicatii fotonice (emisie laser, modulatia spatiala a luminii complet optica, limitare optica). De asemenea, generarea de noi cunostiinte are un impact important asupra evolutiei stiintifice a liderului de proiect si a echipei de cercetare, prin cresterea numarului de publicatii si extinderea expertizei stiintifice. S-au obtinut rezultate stiintifice importante care au fost publicate in reviste de specialitate cu factor de impact mare (Q1, zona rosie) si prezentate la Subiectul acestui proiect a generat o tema noua de cercetare pentru practica unui student de anul doi, de la Faculatatea de Fizica “Babes Bolyai” din Cluj-Napoca. Toate acestea pot conduce la dezvoltarea de noi directii de cercetare in domeniul fotonicii.
Proiectul are un impact economic semnificativ: demonstrarea functionalitatii de limitare optica a noilor materiale si realizarea demonstratorului de laborator de limitare optica care poate deschide noi solutii in tehnologiile competitive emergente. Utilitatea acestor limitatoare optice pasive este de a proteja utilizatorii (ochiul uman sensibil) / dispozitivele optice si optoelectronice sensibile la lumina laser IR, impotriva potentialelor daune generate de fasciculele laser atunci cand este depasit un anumit prag. Impactul social va fi vizibil prin aplicarea directa a rezulatelor obtinute in demonstrarea functionalitatii de limitare optica, care poate influenta calitatea vietii. Contributia acestui proiect la impactul social este subliniata si de crearea unui loc de munca, pe perioada desfasurarii proiectului, pentru un tanar cercetator.
Rezultatele semnificative vor fi prezentate pe pagina web a proiectului, dupa solutionarea legala a drepturilor de proprietate intelectuala, astfel vor fi accesibile unei game mai largi de potentiali colaboratori si beneficiari.
Finalizarea proiectului deschide posibilitatea aplicarii biopolimerului pe baza de ADN, functionalizat cu coloranti naturali, in dispozitivele de limitare optica pasiva.