Un nouveau, une nanoparticule de type oignon pourrait ouvrir de nouvelles frontières en bioimagerie, la récupération d'énergie solaire et les techniques de sécurité basées sur la lumière.

L'innovation de la particule réside dans ses couches :un enrobage de colorant organique, une enveloppe contenant du néodyme, et un noyau qui incorpore de l'ytterbium et du thulium. Ensemble, ces strates convertissent la lumière proche infrarouge invisible en lumière bleue et UV à plus haute énergie avec une efficacité record, une astuce qui pourrait améliorer les performances de technologies allant de l'imagerie des tissus profonds et de la thérapie induite par la lumière aux encres de sécurité utilisées pour imprimer de l'argent.

En matière de bio-imagerie, la lumière proche infrarouge pourrait être utilisée pour activer les nanoparticules émettant de la lumière profondément à l'intérieur du corps, fournir des images à contraste élevé des zones d'intérêt. Dans le domaine de la sécurité, des encres infusées de nanoparticules pourraient être incorporées dans des conceptions de monnaie ; une telle encre serait invisible à l'œil nu, mais brillent en bleu lorsqu'ils sont touchés par une impulsion laser à faible énergie, une caractéristique très difficile à reproduire pour les contrefacteurs.

"Cela ouvre de multiples possibilités pour l'avenir, " dit Tymish Ohulchanskyy, directeur adjoint de la photomédecine et professeur agrégé de recherche à l'Institut des lasers, Photonique, et Biophotonique (ILPB) à l'Université de Buffalo.

"En créant des couches spéciales qui aident à transférer efficacement l'énergie de la surface de la particule au noyau, qui émet de la lumière bleue et UV, notre conception permet de surmonter certains des obstacles de longue date auxquels les technologies précédentes étaient confrontées, " dit Guanying Chen, professeur de chimie au Harbin Institute of Technology et professeur agrégé de recherche à l'ILPB.

« Notre particule est environ 100 fois plus efficace pour « la conversion ascendante » de la lumière que des nanoparticules similaires créées dans le passé, le rendant beaucoup plus pratique, " dit Jossana Damasco, un doctorant en chimie de l'UB qui a joué un rôle clé dans le projet.

La recherche a été publiée en ligne dans Lettres nano le 21 octobre et dirigé par l'Institut des Lasers, Photonique, et Biophotonique à UB, et le Harbin Institute of Technology en Chine, avec des contributions de l'Institut royal de technologie de Suède; Université d'État de Tomsk en Russie; et la faculté de médecine de l'Université du Massachusetts.

L'auteur principal de l'étude était Paras Prasad, Directeur exécutif de l'ILPB et professeur émérite de chimie SUNY, la physique, médecine et génie électrique à l'UB.

Décoller les couches

Convertir une lumière à basse énergie en lumière d'énergies plus élevées n'est pas facile à faire. Le processus consiste à capturer deux ou plusieurs minuscules paquets de lumière appelés "photons" à partir d'une source lumineuse à faible énergie, et combinant leur énergie pour former un seul, photon de plus haute énergie.

La nanoparticule oignon effectue cette tâche magnifiquement. Chacune de ses trois couches remplit une fonction unique :

• La couche la plus externe est un revêtement de colorant organique. Ce colorant est apte à absorber les photons des sources de lumière proche infrarouge à faible énergie. Il agit comme une "antenne" pour la nanoparticule, récolter la lumière et transférer l'énergie à l'intérieur, dit Ohulchanskyy.
• La couche suivante est une coque contenant du néodyme. Cette couche agit comme un pont, transférer l'énergie du colorant au noyau électroluminescent de la particule.
• À l'intérieur du noyau électroluminescent, Les ions ytterbium et thulium fonctionnent de concert. Les ions ytterbium attirent l'énergie dans le noyau et la transmettent aux ions thulium, qui ont des propriétés particulières qui leur permettent d'absorber l'énergie de trois, quatre ou cinq photons à la fois, puis émettre un seul photon de lumière bleue et UV à plus haute énergie.

Alors pourquoi ne pas simplement utiliser le noyau ? Pourquoi ajouter la couche de colorant et de néodyme?

Comme Ohulchanskyy et Chen l'expliquent, le noyau lui-même est inefficace pour absorber les photons du monde extérieur. C'est là qu'intervient la teinture.

Une fois le colorant ajouté, la couche contenant du néodyme est nécessaire pour transférer efficacement l'énergie du colorant au noyau. Ohulchanskyy utilise l'analogie d'un escalier pour expliquer pourquoi :lorsque des molécules ou des ions dans un matériau absorbent un photon, ils entrent dans un état "excité" à partir duquel ils peuvent transférer de l'énergie à d'autres molécules ou ions. Le transfert le plus efficace se produit entre des molécules ou des ions dont les états excités nécessitent une quantité d'énergie similaire pour obtenir, mais les ions colorant et ytterbium ont des états excités avec des énergies très différentes. L'équipe a donc ajouté du néodyme, dont l'état excité se situe entre celui du colorant et celui du thulium, pour servir de pont entre les deux, créant un « escalier » pour que l'énergie descende pour atteindre les ions thulium émetteurs.