Het licht dat een luminescerend deeltje uitstraalt is meestal minder energetisch dan het licht dat het absorbeert. Sommige toepassingen vereisen dat het uitgestraalde licht energieker is, maar dit zogenaamde opconversieproces is in slechts een handvol materialen waargenomen. Xiaogang Liu van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering en collega's zijn er nu in geslaagd om de lijst met upconversiematerialen uit te breiden, de weg naar nieuwe toepassingen te vergemakkelijken.

Traditionele opconversiedeeltjes onderscheiden zich door hun gelijkmatig verdeelde of 'ladderachtige' energieniveaus die hun interne elektronen kunnen aannemen. Door de even afstanden kan een elektron vele malen achter elkaar in energie worden bevorderd, door veel fotonen van dezelfde kleur te absorberen. Wanneer een elektron dat tot een hoge energie is gepromoveerd, uiteindelijk terug ontspant naar de toestand met de laagste energie, het zendt een foton uit dat energieker is dan de fotonen die het om te beginnen hebben opgewekt.

Nanodeeltjes gedoteerd met elementen uit de lanthanidegroep van het periodiek systeem zijn in staat tot opconversie, en zijn nuttig voor biologische beeldvorming omdat hun hoge energie-emissie duidelijk kan worden onderscheiden van achtergrondgeluid. Echter, slechts drie elementen uit de lanthanidereeks zijn efficiënt bij opconversie:erbium, thulium, en holmium. Deze lijst is zo kort vanwege de gelijktijdige vereisten dat een opconversiedeeltje een ladderachtige elektronische energiestructuur vertoont, en ook efficiënte emissie.

Liu en collega's hebben dit probleem opgelost door verschillende lanthaniden te gebruiken om verschillende stadia van het opconversieproces uit te voeren. Sensibiliserende elementen absorberen invallend licht, en breng de geabsorbeerde energie over naar nabijgelegen accumulatoren, waarvan de elektronen tot hoge energieniveaus stijgen. Vervolgens, de energie die is opgeslagen in accumulatoren wordt overgedragen door door vele migrators te springen, totdat een activator is bereikt. Eindelijk, de activator geeft een hoogenergetisch foton af.

Door aan elk van deze vier functies verschillende elementen toe te kennen, de onderzoekers waren in staat om de vereisten voor elk afzonderlijk element te verlichten. In aanvulling, ongewenste interacties tussen verschillende elementen werden vermeden door ze ruimtelijk te scheiden in een enkel bolvormig nanodeeltje met sensibilisatoren en accumulatoren in de kern, activatoren in de schil en migrators in zowel de kern als de schil.

Dankzij dit ontwerp konden Liu en zijn team een ​​spectrum van kleuren observeren van de opgewaardeerde emissie van europium, terbium, dysprosium en samarium (zie afbeelding). Dezelfde aanpak kan er ook voor zorgen dat andere elementen efficiënt kunnen emitteren. “Onze resultaten kunnen leiden tot vooruitgang in ultragevoelige biodetectie, " zegt Liu, "en zou meer onderzoekers moeten inspireren om op dit gebied te werken."