La lumière qu'une particule luminescente émet est généralement moins énergétique que la lumière qu'elle absorbe. Certaines applications nécessitent que la lumière émise soit plus énergétique, mais ce processus dit de conversion ascendante n'a été observé que dans une petite poignée de matériaux. Xiaogang Liu de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR et ses collègues ont maintenant réussi à étendre la liste des matériaux de conversion ascendante, faciliter le chemin vers de nouvelles applications.

Les particules de conversion ascendante traditionnelles se distinguent par leurs niveaux d'énergie régulièrement espacés ou «en échelle» que leurs électrons internes peuvent assumer. Les espacements pairs permettent à un électron d'être promu en énergie plusieurs fois consécutivement, en absorbant de nombreux photons de la même couleur. Lorsqu'un électron qui a été promu à une énergie élevée se détend enfin à l'état d'énergie la plus basse, il émet un photon plus énergétique que les photons qui l'ont excité au départ.

Les nanoparticules dopées avec des éléments du groupe des lanthanides du tableau périodique sont capables d'upconversion, et sont utiles pour l'imagerie biologique car leur émission à haute énergie peut être clairement distinguée du bruit de fond. Cependant, seuls trois éléments de la série des lanthanides sont efficaces à l'upconversion :l'erbium, thulium, et l'holmium. Cette liste est si courte en raison des exigences simultanées qu'une particule de conversion ascendante présente une structure d'énergie électronique en forme d'échelle, et aussi une émission efficace.

Liu et ses collègues ont résolu ce problème en utilisant différents lanthanides pour effectuer différentes étapes du processus de conversion ascendante. Les éléments sensibilisateurs absorbent la lumière incidente, et transférer l'énergie absorbée vers des accumulateurs à proximité, dont les électrons atteignent des niveaux d'énergie élevés. Puis, l'énergie stockée dans les accumulateurs se transfère en sautant à travers de nombreux migrateurs, jusqu'à ce qu'un activateur soit atteint. Finalement, l'activateur libère un photon de haute énergie.

En attribuant différents éléments à chacune de ces quatre fonctions, les chercheurs ont pu alléger les exigences sur n'importe quel élément individuel. En outre, les interactions indésirables entre les différents éléments ont été évitées en les séparant spatialement à l'intérieur d'une seule nanoparticule sphérique qui a des sensibilisateurs et des accumulateurs dans le noyau, activateurs dans le shell et les migrateurs à la fois dans le noyau et le shell.

Cette conception a permis à Liu et à son équipe d'observer un spectre de couleurs à partir de l'émission upconvertie d'europium, terbium, dysprosium et samarium (voir image). La même approche peut également permettre à d'autres éléments d'émettre efficacement. "Nos résultats peuvent conduire à des avancées dans la biodétection ultrasensible, " dit Liu, "et devrait inspirer plus de chercheurs à travailler dans ce domaine."