Lorsque des nanotiges semi-conductrices sont exposées à la lumière, ils clignotent selon un motif apparemment aléatoire. En regroupant des nanotiges ensemble, des physiciens de l'Université de Pennsylvanie ont montré que leur temps d'activation combiné augmente considérablement, offrant ainsi un nouvel aperçu de ce mystérieux comportement de clignotement.

La recherche a été menée par le groupe du professeur agrégé Marija Drndic, y compris l'étudiant diplômé Siying Wang et les stagiaires postdoctoraux Claudia Querner et Tali Dadosh, tous du département de physique et d'astronomie de la Penn's School of Arts and Sciences. Ils ont collaboré avec Catherine Crouch du Swarthmore College et Dmitry Novikov de la Faculté de médecine de l'Université de New York.

Leurs recherches ont été publiées dans la revue Communication Nature .

Lorsqu'il est alimenté en énergie, que ce soit sous forme de lumière, l'électricité ou certains produits chimiques, de nombreux semi-conducteurs émettent de la lumière. Ce principe est à l'œuvre dans les diodes électroluminescentes, ou LED, qui se trouvent dans un certain nombre d'appareils électroniques grand public.

A l'échelle macro, cette électroluminescence est cohérente; Ampoules LED, par exemple, peut briller pendant des années avec une fraction de l'énergie utilisée même par les ampoules fluorescentes compactes. Mais lorsque les semi-conducteurs sont réduits à une taille nanométrique, au lieu de briller régulièrement, ils s'allument et s'éteignent de façon imprévisible, basculer entre l'émission de lumière et l'obscurité pendant des durées variables. Pour la décennie depuis que cela a été observé, de nombreux groupes de recherche à travers le monde ont cherché à découvrir le mécanisme de ce phénomène, ce qui n'est pas encore tout à fait compris.

"Le clignotement a été étudié dans de nombreux matériaux nanométriques différents depuis plus d'une décennie, comme c'est surprenant et intriguant, mais ce sont les statistiques du clignotement qui sont si inhabituelles, " a déclaré Drndic. " Ces nanotiges peuvent être " allumées " et d'une microseconde à des heures. C'est pourquoi nous avons travaillé avec Dmitry Novikov, qui étudie les phénomènes stochastiques dans les systèmes physiques et biologiques. Ces statistiques inhabituelles de Levi surviennent lorsque de nombreux facteurs se font concurrence à différentes échelles de temps, résultant en un comportement assez complexe, avec des exemples allant des tremblements de terre aux processus biologiques en passant par les fluctuations du marché boursier."

Drndic et son équipe de recherche, grâce à une combinaison de techniques d'imagerie, ont montré que le regroupement de ces semi-conducteurs nanotige augmente considérablement leur temps total de "marche" dans une sorte "d'effet de feu de camp". L'ajout d'une tige au cluster a un effet multiplicateur sur la période "on" du groupe.

"Si vous assemblez des nanotiges, si chacun clignote en de rares courtes rafales, on pourrait penser que le temps d'activation maximum du groupe ne sera pas beaucoup plus important que celui d'une nanotige, puisque leurs rafales ne se chevauchent généralement pas, " a déclaré Novikov. " Ce que nous voyons sont des rafales 'on' très prolongées lorsque les nanotiges sont très proches les unes des autres, comme s'ils s'entraidaient pour continuer à briller, ou 'brûlant.'"

Le groupe de Drndic l'a démontré en déposant des nanotiges de séléniure de cadmium sur un substrat, en braquant un laser bleu sur eux, puis prise de vidéo au microscope optique pour observer la lumière rouge émise par les nanotiges. Bien que cette technique fournisse des données sur la durée d'activation de chaque cluster, " l'équipe avait besoin d'utiliser la microscopie électronique à transmission, ou TEM, distinguer chaque individu, Baguette de 5 nanomètres et mesurez la taille de chaque grappe.

Un ensemble de quadrillages dorés a permis aux chercheurs d'étiqueter et de localiser des grappes individuelles de nanotiges. Wang a ensuite superposé avec précision environ un millier d'images MET assemblées avec les données de luminescence qu'elle a prises avec le microscope optique. Les chercheurs ont observé "l'effet feu de camp" dans des grappes aussi petites que deux et aussi grandes que 110, lorsque le cluster a effectivement pris des propriétés à l'échelle macro et a complètement cessé de clignoter.

Bien que le mécanisme exact qui cause cette luminescence prolongée ne puisse pas encore être identifié, Les découvertes de l'équipe de Drndic soutiennent l'idée que les interactions entre les électrons de l'amas sont à l'origine de l'effet.

"En passant d'un bout à l'autre d'un nanobâtonnet, ou autrement changer de position, nous émettons l'hypothèse que les électrons d'une tige peuvent influencer ceux des tiges voisines de manière à améliorer la capacité des autres tiges à émettre de la lumière, " Crouch a déclaré. "Nous espérons que nos résultats donneront un aperçu de ces interactions à l'échelle nanométrique, ainsi que d'aider à guider les travaux futurs pour comprendre le clignotement dans des nanoparticules uniques. »

Comme les nanotiges peuvent être d'un ordre de grandeur plus petites qu'une cellule, mais peut émettre un signal qui peut être vu relativement facilement au microscope, ils ont longtemps été considérés comme des biomarqueurs potentiels. Leur schéma d'éclairage incohérent, cependant, a limité leur utilité.

"Les biologistes utilisent des nanocristaux semi-conducteurs comme marqueurs fluorescents. Un inconvénient important est qu'ils clignotent, " a déclaré Drndic. " Si le temps d'émission pouvait être étendu à plusieurs minutes, cela les rendrait beaucoup plus utilisables. Avec le développement ultérieur de la synthèse, peut-être que les grappes pourraient être conçues comme des étiquettes améliorées."

Les recherches futures utiliseront des assemblages de nanotiges plus ordonnés et des séparations interparticulaires contrôlées pour étudier plus avant les détails des interactions entre les particules.