Преобразование света

Исследователи из США разработали нетоксичные кремниевые нанокристаллы, функционализированные специализированными органическими молекулами, и показали, что эти материалы могут легко превращать низкоэнергетические фотоны в более высокоэнергетические. Данный  процесс, известный как конверсия фотонов, может решить несколько ключевых проблем в биологии и материаловедении (Nature Chemistry 10.1038 / s41557-019-0385-8).

Последние достижения в визуализации глубоких тканей и фототерапии, используемой при лечении рака, стали преобразующими. Современные технологии в основном используют ближний инфракрасный свет, который имеет большую глубину проникновения через биологические ткани, чем видимое или инфракрасное излучение. Поскольку он содержит низкоэнергетические фотоны, энергии для генерации свободных радикалов, необходимых для уничтожения соседних аномальных клеток, может недоставать.

Потому специалисты по материалам и химики работают над преобразованием низкоэнергетических фотонов светового диапазона ближней инфракрасной области в высокоэнргетичное состояние возбуждения, используя функционализированные неорганические нанокристаллы, содержащие энергопринимающие красители. При использовании таких материалов можно добиться повышения светопреобразования с эффективностью более 10%. Однако они содержат токсичные тяжелые элементы, например, свинец, что ограничивает возможности исследователей.

Предотвращение токсичности в разработке

Чтобы преодолеть этот недостаток, учёные из Университета Калифорнии, Риверсайда и Техаса в Остине, во главе с Шоном Робертсом, Лоренцо Манголини и Минг Ли Тан, заменили токсичные неорганические нанокристаллы нетоксичными кремниевыми инфракрасными поглотителями. Использование кремниевых поглотителей при конверсии фотонов перспективно для применения в медицине, при генерировании света, который способен проникать достаточно далеко в биологические ткани и иметь достаточно высокую энергию для создания терапевтических радикалов.

Создание нанокристаллов кремния

В новой разработке для достижения преобразования фотонов исследователи использовали триплетный перенос энергии нанокристаллов в молекулу. Нанокристаллы кремния поглощают фотоны с длиной волны 488–640 нм и создают возбужденные электронно-дырочные пары (экситоны). Затем экситоны в растворе передают свою энергию молекулам 9,10-дифенилантрацена (DPA). В результате, молекулы DPA возбуждаются до спин-триплетного экситонного состояния. 

Вновь синтезированные кремниевые нанокристаллы функционализируются органическими молекулами, такими как 1-октадецен или комбинацией, состоящей из 1-октадец и 9-винилантрацена, которая при соединении становится 9-этилантраценом (9EA). Исследователи выбрали DPA, так как он обладает высокой (выше 97%) флуоресцентной эмиссией. Внимательно изучив химию поверхности кремниевых нанокристаллов, они узнали как присоединять поверхностные лиганды, что позволяет функционализировать кремниевые нанокристаллы органическими молекулами 9EA.

Чтобы проверить изобретённый метод, исследователи направили лазерный свет в раствор, содержащий кремниевые нанокристаллы и молекулы DPA. Нанокристаллы кремния поглощали лазерный свет и передавали энергию через молекулы 9EA в DPA в растворе в виде фотонов высокой энергии: 425 нм (фиолетового света). «Мы получили свет с более высокой энергией!» — утверждает Пан Ся, один из первых соавторов идеи.

Принцип, лежащий в основе данного, более высокоэнергетичного выхода, основан на использовании квантово-ограниченных наночастиц и способности удерживать наночастицы (кремниевые наночастицы) и органические молекулы (9EA) достаточно близко друг к другу, чтобы использовать триплетное состояние окружающих молекул.

«Задача состояла в том, чтобы заставить пары возбужденных электронов перемещаться между кремнием и органическими материалами. Это невозможно сделать, "просто положив одно поверх другого", — говорит Робертс. — Требуется создание химического интерфейса нового типа между кремнием и материалом, чтобы создать электронам возможность сообщаться».

Помимо медицинского применения, авторы полагают, что новые кремниевые нанокристаллы также имеют потенциал для использования в фотокаталитических системах с преобразованием частоты излучения вверх и в квантовой информатике. «Фотокатализаторы обычно работают только с ультрафиолетовым или фиолетовым светом, так что это новый способ генерировать его из остальной части солнечного спектра», — говорит Тан.

Рожин Джафари

physicsworld.com