een nieuwe, ui-achtige nanodeeltjes kunnen nieuwe grenzen openen in biomaging, zonne-energie oogsten en op licht gebaseerde beveiligingstechnieken.

De innovatie van het deeltje ligt in zijn lagen:een coating van organische kleurstof, een neodymiumhoudende schaal, en een kern die ytterbium en thulium bevat. Samen, deze lagen zetten onzichtbaar nabij-infraroodlicht om in blauw en uv-licht met hogere energie met een recordhoge efficiëntie, een truc die de prestaties van technologieën zou kunnen verbeteren, variërend van beeldvorming van diep weefsel en door licht geïnduceerde therapie tot veiligheidsinkten die worden gebruikt om geld te drukken.

Als het gaat om bio-imaging, nabij-infrarood licht kan worden gebruikt om de lichtemitterende nanodeeltjes diep in het lichaam te activeren, het verstrekken van contrastrijke beelden van interessegebieden. Op het gebied van veiligheid, met nanodeeltjes doordrenkte inkten kunnen worden verwerkt in valutaontwerpen; dergelijke inkt zou onzichtbaar zijn voor het blote oog, maar gloeien blauw wanneer ze worden geraakt door een laserpuls met lage energie - een eigenschap die zeer moeilijk te reproduceren is voor vervalsers.

"Het opent meerdere mogelijkheden voor de toekomst, " zegt Tymish Ohulchanskyy, adjunct-directeur van fotogeneeskunde en universitair hoofddocent onderzoek aan het Instituut voor Lasers, fotonica, en Biophotonics (ILPB) aan de Universiteit van Buffalo.

"Door speciale lagen te creëren die helpen energie efficiënt over te dragen van het oppervlak van het deeltje naar de kern, die blauw en UV-licht uitstraalt, ons ontwerp helpt bij het overwinnen van enkele van de al lang bestaande obstakels waarmee eerdere technologieën werden geconfronteerd, " zegt Guanying Chen, hoogleraar scheikunde aan het Harbin Institute of Technology en universitair hoofddocent ILPB-onderzoek.

"Ons deeltje is ongeveer 100 keer efficiënter in het 'upconverteren' van licht dan vergelijkbare nanodeeltjes die in het verleden zijn gemaakt, waardoor het veel praktischer wordt, " zegt Jossana Damasco, een UB-promovendus scheikunde die een sleutelrol speelde in het project.

Het onderzoek is online gepubliceerd in Nano-letters op 21 oktober en geleid door het Institute for Lasers, fotonica, en biofotonica aan de UB, en het Harbin Institute of Technology in China, met bijdragen van het Royal Institute of Technology in Zweden; Tomsk Staatsuniversiteit in Rusland; en de medische faculteit van de Universiteit van Massachusetts.

De hoofdauteur van de studie was Paras Prasad, ILPB uitvoerend directeur en SUNY Distinguished Professor in de chemie, natuurkunde, geneeskunde en elektrotechniek aan de UB.

De lagen afpellen

Het omzetten van laag-energetisch licht naar licht van hogere energieën is niet eenvoudig om te doen. Het proces omvat het vastleggen van twee of meer kleine pakketjes licht, "fotonen" genaamd, van een energiezuinige lichtbron, en het combineren van hun energie om een ​​enkele, hogere energie foton.

Het uienachtige nanodeeltje voert deze taak prachtig uit. Elk van de drie lagen vervult een unieke functie:

• De buitenste laag is een coating van organische kleurstof. Deze kleurstof is bedreven in het absorberen van fotonen van laag-energetische nabij-infrarood lichtbronnen. Het fungeert als een "antenne" voor het nanodeeltje, licht oogsten en energie naar binnen overbrengen, zegt Ohulchanskyy.
• De volgende laag is een neodymiumhoudende schil. Deze laag fungeert als een brug, overdracht van energie van de kleurstof naar de lichtemitterende kern van het deeltje.
• In de lichtgevende kern, ytterbium- en thuliumionen werken samen. De ytterbium-ionen trekken energie naar de kern en geven de energie door aan de thulium-ionen, die speciale eigenschappen hebben waardoor ze de energie van drie kunnen absorberen, vier of vijf fotonen tegelijk, en zenden dan een enkel foton met hogere energie uit van blauw en UV-licht.

Dus waarom niet gewoon de core gebruiken? Waarom überhaupt de kleurstof- en neodymiumlaag toevoegen?

Zoals Ohulchanskyy en Chen uitleggen, de kern zelf is inefficiënt in het absorberen van fotonen van de buitenwereld. Daar komt de kleurstof binnen.

Zodra u de kleurstof hebt toegevoegd, de neodymiumhoudende laag is nodig om energie efficiënt van de kleurstof naar de kern over te brengen. Ohulchanskyy gebruikt de analogie van een trap om uit te leggen waarom dit is:wanneer moleculen of ionen in een materiaal een foton absorberen, ze komen in een "opgewonden" toestand van waaruit ze energie kunnen overdragen aan andere moleculen of ionen. De meest efficiënte overdracht vindt plaats tussen moleculen of ionen waarvan de aangeslagen toestanden een vergelijkbare hoeveelheid energie vereisen om te verkrijgen, maar de kleurstof- en ytterbium-ionen hebben aangeslagen toestanden met heel verschillende energieën. Dus het team voegde neodymium toe - waarvan de aangeslagen toestand tussen die van de kleurstof en die van thulium ligt - om als een brug tussen de twee te fungeren. het creëren van een "trap" voor de energie om naar beneden te reizen om de emitterende thuliumionen te bereiken.