L'ADN est le matériel héréditaire dans le noyau de toutes les cellules chez l'homme et d'autres organismes vivants. Outre son importance en biologie, L'ADN a également joué un rôle spécifique dans le contrôle de nombreux appareils physiques. Récemment, une équipe de recherche internationale à l'Université technologique de Nanyang, Singapour, a démontré le concept d'un microlaser commutable en tirant parti du processus d'hybridation d'ADN de biomolécules organiques.

À ce jour, les avancées dans les microlasers commutables sont apparues comme un bloc de construction avec un potentiel immense dans le contrôle des interactions lumière-matière et de la photonique intégrée. Généralement, la commutation optique est réalisée par la fabrication de dispositifs complexes ou certaines approches physiques, telles que la modification de la structure ou de l'indice de réfraction des cavités laser. Contrairement à l'interface conçue artificiellement, Les biointerfaces sensibles aux stimuli tirent parti d'un système biologique et d'une bio-reconnaissance tels qu'un niveau plus élevé de fonctionnalités pourrait être réalisé à l'échelle nanométrique. Néanmoins, la commutation de l'émission laser avec la reconnaissance biologique n'a pas encore été abordée, en particulier avec une accordabilité réversible et en longueur d'onde sur une large gamme spectrale.

Pour résoudre ce problème, L'équipe de Chen a développé une nouvelle méthode pour changer l'émission laser en incorporant de l'ADN dans une microcavité optique. L'ADN est l'un des biomatériaux les plus puissants connus pour sa synthèse contrôlable et la spécificité des interactions de paires de bases. La programmabilité et l'auto-assemblage des structures d'ADN offrent des moyens polyvalents pour construire des biointerfaces d'ADN et adapter la réponse optique. La microcavité optique Fabry-Pérot est constituée de deux miroirs diélectriques, dans lequel des cristaux liquides dopés par colorant ont été introduits comme gain optique pour améliorer la réponse des événements de liaison à l'ADN.

La forte interaction lumière-matière induite par la microcavité permet ainsi d'amplifier de subtils changements au sein de la cavité et des matrices de cristaux liquides. La molécule de cristal liquide passe d'un alignement homéotrope à un alignement plan lorsque l'ADN simple brin (ADNs) est adsorbé sur la monocouche cationique de la matrice. Les changements d'orientation des molécules LC ont ainsi entraîné un décalage vers le bleu de la longueur d'onde laser avec une amplification prononcée du signal. La longueur d'onde laser pourrait être inversée lors de la liaison avec sa partie complémentaire par un processus d'hybridation d'ADN.

"Nous avons utilisé cette interaction spéciale ADN-cristaux liquides comme puissance de commutation pour modifier l'orientation des cristaux liquides dans la microcavité Fabry-Perot afin que la commutation d'émission laser entre différentes longueurs d'onde soit obtenue, " a déclaré le professeur Yu-Cheng Chen, l'auteur correspondant de l'étude. Les interactions conduisent à une commutation temporelle des longueurs d'onde et des intensités laser. La longueur d'onde laser apparaît par décalage vers le bleu lorsque l'ADNsb est introduit. Il revient en s'hybridant avec ses bases complémentaires. Des études expérimentales et théoriques ont révélé que la force d'absorption du milieu de gain est le mécanisme critique qui détermine le comportement de décalage du laser.

"L'importance de cette étude est d'introduire le concept d'utilisation de biomolécules organiques pour commuter des sources de lumière cohérentes à différentes longueurs d'onde. Elle représente une étape importante dans la réalisation d'un laser à contrôle biologique, " a déclaré Chen. L'équipe estime que cette étude met en lumière le développement de dispositifs photoniques programmables à l'échelle sub-nano en exploitant la complexité et l'auto-reconnaissance des biomolécules. En exploitant la complexité et l'auto-reconnaissance des séquences d'ADN, la lumière laser peut être entièrement manipulée et programmée. La capacité remarquable de reconnaissance moléculaire spécifique pourrait être potentiellement adaptée à des applications telles que le codage d'informations et le stockage de données avec la lumière laser à l'avenir. Ce travail a été publié dans ACS Nano .