Un bouclier de nanoparticules rend les molécules luminescentes plus durables pour des applications de haute technologie
Elles sont minuscules mais brillent intensément : il s'agit de molécules spéciales émettant de la lumière, utilisées dans l'analyse de l'environnement, les diagnostics médicaux et la recherche sur l'énergie. Toutefois, l'oxygène présent dans l'air peut réduire considérablement l'intensité de leur luminescence. Des chercheurs du Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ont mis au point un "bouclier nano-protecteur" : intégrées dans des particules de silice de taille nanométrique, les molécules dont l'émission est initialement sensible à l'oxygène restent nettement plus stables et luminescentes - une avancée majeure pour les technologies d'avenir.
De nombreuses technologies modernes utilisent des molécules émettant de la lumière, appelées luminophores. Elles sont utilisées, par exemple, comme agents de contraste pour l'imagerie médicale ou dans les cellules solaires. Les composés tels que les complexes de chrome(III), également appelés "rubis moléculaires", mis au point par le professeur Katja Heinze de l'université Johannes Gutenberg de Mayence, sont particulièrement prometteurs. "Ces molécules peuvent émettre de la lumière pendant plus d'une milliseconde. C'est idéal pour de nombreuses applications de haute technologie", explique Ute Resch-Genger du BAM, qui dirige le projet DFG NILE-CHROME 2.0 avec Katja Heinze. "Mais en même temps, ils sont très sensibles à l'oxygène et peuvent perdre leur luminescence".
Une équipe de recherche interdisciplinaire a maintenant trouvé une solution simple pour protéger les molécules sensibles de l'oxygène. S'appuyant sur l'expertise en matière de silice d'Isabella Tavernaro, chercheuse au BAM, les scientifiques ont intégré les luminophores dans de minuscules nanoparticules de silice. Les nanoparticules de dioxyde de silicium (SiO₂), le principal composant du verre de quartz, sont chimiquement stables et compatibles avec la biologie. En encapsulant les molécules, ces nanoparticules de silice spécialement préparées forment un bouclier contre les influences extérieures, préservant ainsi leur luminescence.
Protection à l'échelle nanométrique : Les particules de silice protègent les molécules luminescentes de l'oxygène - leur luminosité dure plus longtemps.
Quelle: BAM
Une méthode de synthèse innovante
Pour protéger les luminophores de l'oxygène, l'équipe interdisciplinaire a testé différentes méthodes de synthèse des nanoparticules de silice. La solution la plus efficace a été une méthode de synthèse peu connue utilisant l'acide aminé naturel L-arginine comme catalyseur. Lors d'une synthèse en deux étapes, les luminophores sont directement intégrés dans les nanoparticules en croissance, ce qui les protège complètement de l'oxygène. Des mesures ont confirmé que cette encapsulation préserve la luminescence des molécules à long terme.
Cette méthode innovante pourrait faire progresser le développement de matériaux luminescents de longue durée basés sur des substances sensibles à l'oxygène. Elle est particulièrement intéressante pour les matériaux dits à conversion ascendante. Ces systèmes de matériaux intensivement étudiés peuvent convertir l'énergie lumineuse de manière ciblée, par exemple en convertissant la lumière d'excitation verte en émission bleue. Cela pourrait déboucher à l'avenir sur de nouveaux matériaux photoniques puissants, tels que des capteurs optiques pour des mesures précises sans contact ou de nouveaux codes luminescents.
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