Una nuova, nanoparticelle simili a cipolla potrebbero aprire nuove frontiere nel biomaging, tecniche di raccolta dell'energia solare e di sicurezza basate sulla luce.

L'innovazione della particella sta nei suoi strati:un rivestimento di colorante organico, un guscio contenente neodimio, e un nucleo che incorpora itterbio e tulio. Insieme, questi strati convertono la luce invisibile del vicino infrarosso in luce blu e UV ad alta energia con un'efficienza record, un trucco che potrebbe migliorare le prestazioni di tecnologie che vanno dall'imaging dei tessuti profondi e la terapia indotta dalla luce agli inchiostri di sicurezza utilizzati per stampare denaro.

Quando si tratta di bioimmagini, la luce del vicino infrarosso potrebbe essere utilizzata per attivare le nanoparticelle che emettono luce in profondità all'interno del corpo, fornendo immagini ad alto contrasto di aree di interesse. Nel campo della sicurezza, gli inchiostri infusi con nanoparticelle potrebbero essere incorporati nei progetti di valuta; tale inchiostro sarebbe invisibile ad occhio nudo, ma si illumina di blu quando viene colpito da un impulso laser a bassa energia, un tratto molto difficile da riprodurre per i contraffattori.

"Apre molteplici possibilità per il futuro, "dice Tymish Ohulchanskyy, vicedirettore di fotomedicina e professore associato di ricerca presso l'Istituto per i laser, fotonica, e Biofotonica (ILPB) presso l'Università di Buffalo.

"Creando strati speciali che aiutano a trasferire energia in modo efficiente dalla superficie della particella al nucleo, che emette luce blu e UV, il nostro design aiuta a superare alcuni degli ostacoli di vecchia data che le tecnologie precedenti hanno affrontato, "dice Guanying Chen, professore di chimica all'Harbin Institute of Technology e professore associato di ricerca ILPB.

"La nostra particella è circa 100 volte più efficiente nel convertire la luce rispetto a nanoparticelle simili create in passato, rendendolo molto più pratico, "dice Jossana Damasco, un dottorando di chimica UB che ha avuto un ruolo chiave nel progetto.

La ricerca è stata pubblicata online in Nano lettere il 21 ottobre e guidato dall'Istituto per i laser, fotonica, e Biofotonica presso UB, e l'Istituto di tecnologia di Harbin in Cina, con contributi del Royal Institute of Technology in Svezia; Università statale di Tomsk in Russia; e la Facoltà di Medicina dell'Università del Massachusetts.

L'autore senior dello studio era Paras Prasad, Direttore Esecutivo ILPB e Distinguished Professor SUNY in chimica, fisica, medicina e ingegneria elettrica presso UB.

Rimuovendo gli strati

Convertire la luce a bassa energia in luce di energie più elevate non è facile da fare. Il processo prevede l'acquisizione di due o più piccoli pacchetti di luce chiamati "fotoni" da una fonte di luce a bassa energia, e combinando la loro energia per formare un unico, fotone di maggiore energia.

La nanoparticella onionica svolge questo compito magnificamente. Ciascuno dei suoi tre strati svolge una funzione unica:

• Lo strato più esterno è un rivestimento di colorante organico. Questo colorante è abile nell'assorbire fotoni da sorgenti di luce nel vicino infrarosso a bassa energia. Funge da "antenna" per la nanoparticella, raccogliendo luce e trasferendo energia all'interno, Ohulchanskyy dice.
• Lo strato successivo è un guscio contenente neodimio. Questo strato funge da ponte, trasferendo energia dal colorante al nucleo emettitore di luce della particella.
• All'interno del nucleo luminescente, gli ioni itterbio e tulio lavorano di concerto. Gli ioni itterbio assorbono energia nel nucleo e trasmettono l'energia agli ioni tulio, che hanno proprietà speciali che consentono loro di assorbire l'energia di tre, quattro o cinque fotoni contemporaneamente, e quindi emette un singolo fotone di energia superiore di luce blu e UV.

Allora perché non usare solo il core? Perché aggiungere lo strato di colorante e neodimio?

Come spiegano Ohulchanskyy e Chen, il nucleo stesso è inefficiente nell'assorbire fotoni dal mondo esterno. È qui che entra in gioco la tintura.

Una volta aggiunto il colorante, lo strato contenente neodimio è necessario per trasferire energia in modo efficiente dal colorante al nucleo. Ohulchanskyy usa l'analogia di una scala per spiegare perché questo è:quando le molecole o gli ioni in un materiale assorbono un fotone, entrano in uno stato "eccitato" dal quale possono trasferire energia ad altre molecole o ioni. Il trasferimento più efficiente avviene tra molecole o ioni i cui stati eccitati richiedono una quantità simile di energia per ottenere, ma gli ioni colorante e itterbio hanno stati eccitati con energie molto diverse. Quindi il team ha aggiunto il neodimio, il cui stato eccitato è tra quello del colorante e quello del tulio, per fungere da ponte tra i due, creando una "scala" per far scendere l'energia per raggiungere l'emissione di ioni di tulio.