Des chercheurs de l'Université nationale de Singapour ont développé une méthode synthétique pour améliorer la luminescence de conversion ascendante dans des nanocristaux dopés aux lanthanides de la taille d'une protéine par reconstruction de surface par coordination moléculaire. Cette innovation empêche la perte d'énergie associée à la surface et marque une percée significative dans le domaine de la luminescence des lanthanides.

L'upconversion de fréquence non linéaire est un sujet d'importance fondamentale et technologique dans une pléthore de domaines de recherche, allant de la science des matériaux, la chimie à la photophysique et à la biologie. Cet intérêt est porté par des applications polyvalentes, y compris les affichages tridimensionnels, lasers à solide, optoélectronique, et la bio-imagerie en super-résolution, ainsi que l'optogénétique. Il existe une forte demande de préparation hautement luminescente, nanocristaux de conversion ascendante de la taille d'une protéine, qui offre de grandes opportunités pour faire progresser les techniques d'imagerie avec une résolution sous-limite de diffraction. Cependant, pour les nanocristaux de petite taille, une grande partie des dopants lanthanides réside sur les couches superficielles ou souterraines, formant une couche sombre non luminescente. Des études antérieures sont parvenues à un consensus selon lequel la perte d'énergie d'excitation est principalement attribuée à la trempe de surface. Malgré des efforts considérables, le mécanisme sous-jacent à la trempe superficielle reste insaisissable, en grande partie en raison de la diffusion d'énergie complexe dans les systèmes de conversion ascendante dopés aux lanthanides et des techniques limitées pour la caractérisation des défauts de surface.

Une équipe de recherche dirigée par le professeur Liu Xiaogang du département de chimie, L'Université nationale de Singapour et le professeur Xu Hui de l'Université du Heilongjiang ont développé une approche simple pour améliorer la conversion ascendante multiphotonique dans des cristaux inférieurs à 10 nm en reconstruisant l'hybridation orbitale et la division du champ cristallin dans les lanthanides de surface via la coordination des ligands. La coordination du ligand peut activer la couche sombre contenant le sensibilisateur et faciliter la migration d'énergie entre les sensibilisateurs de surface et internes aux lanthanides, améliorer l'utilité de l'énergie d'excitation et l'efficacité de la conversion ascendante (voir la figure). En se coordonnant avec des molécules d'acide picolinique bidentées, NaGdF 4 :Yb/Tm nanoparticules avec des diamètres de 5 nm ont montré jusqu'à 11, Amélioration de la conversion ascendante de 000 fois dans la région spectrale ultraviolette. De plus, la coordination du ligand peut exercer une reconstruction au niveau de l'énergie avec une distance de séparation ligand-sensibilisateur supérieure à 2 nm. Ces résultats offrent des informations nouvelles et fondamentales sur le transfert d'énergie interfacial dans les systèmes ultra-petits et fournissent une plate-forme pour la construction de systèmes d'interrogation optique au niveau d'une seule particule.

Le professeur Liu a dit, "Notre approche a démontré une stratégie simple et efficace pour l'amélioration de la luminescence par conversion ascendante. La coordination des molécules ne modifie ni la taille et la morphologie des nanocristaux, ni ne nécessite une instrumentation complexe. Ces brillants, les nanoparticules à conversion ascendante ultra-petites ont un potentiel pour obtenir une imagerie à super-résolution, suivi du transport axonal intraneuronal, et un diagnostic de précision guidé par imagerie au niveau d'une seule particule."