Un nanocristal s’allume et s’éteint indéfiniment

Des scientifiques ont démontré que certaines nanoparticules (nanocristal) sont capables de commuter en permanence, ouvrant la voie à des avancées dans les sondes optiques, la mémoire 3D et la microscopie à super-résolution.

En 2021, les nanoparticules dopées aux lanthanides ont fait des vagues, ou plutôt une avalanche, quand Changwan Lee, doctorant à Columbia Engineering, a déclenché une réaction en chaîne extrême de production de lumière à partir de cristaux ultra-fins. Ces mêmes cristaux qui clignotent peuvent désormais être contrôlé délibérément et indéfiniment.

« Nous avons trouvé la première nanoparticule entièrement photostable et entièrement commutable – un Saint Graal de la conception de nanoprobe« , a déclaré Jim Schuck, professeur associé de génie mécanique.

Un interrupteur de lumière simple et stable

Les colorants organiques existants et les protéines fluorescentes ont été utilisés dans des applications comme la mémoire optique, le nano-modelage et la bio-imagerie. Mais ces molécules ont une durée de vie limitée. Lors de l’illumination, la plupart commencent à clignoter de manière aléatoire et finiront par s’éteindre définitivement, ou « photoblanchir« .

En revanche, les nanoparticules dopées aux lanthanides montrent une photostabilité remarquable. Après plus de 15 ans de travail avec eux dans son laboratoire, Jim Schuck a noté qu’ils n’en ont jamais vu mourir un. Jusqu’à un jour en 2018 où ils ont observé un cristal s’éteindre, puis se rallumer. Changwan Lee a fouillé dans la littérature et a trouvé des mentions de fibres optiques de lanthanides qui pouvaient être « photo-obscurcie » et « photo éclaircie », suggérant que le comportement de clignotement pourrait être contrôlé.

Dans un nouvel article publié dans Nature, l’équipe fait justement cela. En utilisant une lumière proche de l’infrarouge, ils ont obscurci et éclairci leurs nanoparticules plus d’un millier de fois dans différents environnements ambiants et aqueux sans signes de dégradation.

« Nous pouvons éteindre ces particules, qui ne photoblanchissent pas autrement, avec une longueur d’onde de lumière et les rallumer avec une autre, simplement en utilisant des lasers communs« , a commenté Changwan Lee. En effet, la lumière proche de l’infrarouge peut pénétrer profondément à la fois dans les matériaux inorganiques et les tissus biologiques avec un minimum de dispersion ou de phototoxicité.

Des résultats étranges éclairent les applications futures

Envisageant des applications potentielles, l’équipe a montré comment les particules peuvent être utilisées pour écrire et réécrire des motifs sur des substrats 3D, ce qui pourrait un jour améliorer le stockage optique de données haute densité et la mémoire d’ordinateur.

« Cette nanocristalline commutable de manière indéfinie et bidirectionnelle pourrait permettre un dispositif de mémoire quantique tout-optique pour stocker la vaste quantité de données produites par les ordinateurs quantiques – pensez aux CD-ROM et aux CD-RW, mais plus rapide et beaucoup plus précis« , a ajouté Changwan Lee.

Les particules offrent également une puissance de résolution potentiellement infinie, qui dépend du nombre de photons produits par une sonde sous un nanoscope à super-résolution. En utilisant l’équipement du laboratoire de Suh, Changwan Lee a atteint une précision sub-Ångström en seulement quelques heures.

L’équipe estime que la commutation observée dans le travail actuel résulte finalement de défauts cristallins atomiques trop petits pour être visualisés même avec les microscopes électroniques les plus avancés. Ces défauts déplacent le seuil d’avalanche de la particule vers le haut ou vers le bas et peuvent être basculés par différentes longueurs d’onde de lumière pour rendre le signal plus faible ou plus lumineux.

En plus de poursuivre des applications potentielles en mémoire optique, en microscopie à super-résolution et en bio-imagerie et bio-capteur, l’équipe utilise des robots de synthèse de nanoparticules au Molecular Foundry, des modèles computationnels avancés et l’apprentissage machine pour améliorer les cristaux actuels et explorer s’ils peuvent synthétiser d’autres types de nanoparticules aux propriétés commutables similaires.

« Cette étude entière a été une surprise« , a déclaré Bruce Cohen du Molecular Foundry. « Nous avions dit depuis notre article de 2009 que cette classe de nanoparticules ne s’allume et ne s’éteint pas, et pourtant c’est exactement ce que nous étudions ici. Une des choses que nous avons découvertes avec ces nanoparticules est d’accepter des résultats étranges. »

* Ce matériau unique a été synthétisé dans les laboratoires d’Emory Chan et Bruce Cohen du Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Laboratory, ainsi que dans un laboratoire national en Corée du Sud. L’équipe de recherche comprenait également le laboratoire de Yung Doug Suh à l’Institut national des sciences et technologies d’Ulsan (UNIST).

Légende illustration : Illustration du processus de réaction en chaîne qui sous-tend le mécanisme d’avalanche de photons que les chercheurs de Columbia Engineering ont réalisé dans leurs nanoparticules. Dans ce processus, l’absorption d’un seul photon de faible énergie déclenche une réaction en chaîne de transferts d’énergie et d’autres événements d’absorption qui aboutissent à de nombreux ions très excités à l’intérieur de la nanoparticule, qui libèrent ensuite leur énergie par l’émission intense de nombreux photons de plus haute énergie. [ crédit Columbia engineering ]

Papier : https://www.nature.com/articles/s41586-023-06076-7 | DOI:  10.1038/s41586-023-06076-7