Des chercheurs de l'Université d'État de Caroline du Nord ont démontré le transfert de l'énergie des excitons triples des nanocristaux semi-conducteurs aux accepteurs moléculaires liés à la surface, prolonger la durée de vie de l'état excité initialement préparé de six ordres de grandeur. Cette découverte a des implications dans des domaines allant de la conversion de l'énergie solaire à la synthèse photochimique en passant par l'optoélectronique et la luminothérapie pour le traitement du cancer.

Les excitons sont les paires électron/trou formées dans les nanocristaux semi-conducteurs lors de l'absorption de la lumière, la stocker temporairement sous forme d'énergie chimique. Dans les cellules solaires, par exemple, les excitons transportent l'énergie à travers le matériau afin qu'elle puisse être collectée et convertie en électricité.

En termes de photochimie, l'inconvénient majeur de l'utilisation de la plupart des nanocristaux semi-conducteurs comme photosensibilisateurs réside dans leur courte durée de vie à l'état excité, généralement des dizaines de nanosecondes, ce qui les rend inadéquats pour entraîner des réactions photochimiques. NC State professeur de chimie Felix Castellano, avec le postdoctorant Cedric Mongin et l'étudiante diplômée Sofia Garakyaraghi, s'est demandé s'il serait possible d'étendre la durée de vie de l'état excité des nanocristaux semi-conducteurs à des échelles de temps suffisamment longues pour effectuer une chimie.

« La question fondamentale était, "Peut-on prendre un état excité par des nanoparticules avec une durée de vie de dizaines de nanosecondes et l'étendre par sensibilisation, " », explique Castellano. « Si nous prenons l'état excité du nanocristal d'origine et transférons son énergie à un accepteur triplet à la surface du nanomatériau, alors l'état excité triplet moléculaire que vous créez devrait avoir une durée de vie suffisamment longue pour favoriser les réactions chimiques. Cela suggérerait également que les nanocristaux semi-conducteurs présentent un comportement de type moléculaire. »

L'équipe de Castellano a utilisé des nanocristaux de séléniure de cadmium (CdSe) coiffés d'acide oléique, préparé par le professeur Mikhail Zamkov et son étudiante diplômée Natalia Razgoniaeva à la Bowling Green State University. Une partie de l'acide oléique est ensuite remplacée par l'accepteur moléculaire triplet acide 9-anthacènecarboxylique (ACA). Lorsque le nanocristal CdSe portant l'ACA est frappé par une impulsion laser verte, l'exciton produit dans le CdSe est transféré vers l'ACA, formant un exciton triplet moléculaire avec une durée de vie de la milliseconde. Cela représente une prolongation de la durée de vie de six ordres de grandeur, permettant une réactivité chimique ultérieure.

"L'autre avantage est qu'en déplaçant l'exciton loin de la surface des nanoparticules, au lieu d'impliquer la nanoparticule elle-même dans les réactions chimiques souhaitées, vous ne dégraderez pas la nanoparticule, " dit Castellano. " Il peut continuer à absorber la lumière et à transférer l'énergie dans la solution en vrac. "