La recherche internationale franchit un nouveau cap dans l’efficacité luminescente des nanomatériaux, avec des trajectoires inédites pour des applications allant de l’impression 3D à la bio-imagerie, en passant par les cellules solaires. Une équipe*, dont l’Université de Valence, a réussi à décupler l’efficacité de la luminescence des matériaux à conversion ascendante (upconversion).
Les matériaux d’ « upconversion » possèdent la capacité remarquable d’émettre de la lumière dans le spectre visible ou ultraviolet à partir de photons de moindre énergie. Cette propriété trouve des applications variées dans des secteurs tels que l’énergie, l’optique ou la photonique. Depuis plus de deux décennies, les nanomatériaux à base de lanthanides, également connus sous le nom de ‘terres rares’, rivalisent avec les matériaux micrométriques conventionnels grâce à leurs multiples possibilités d’innovation dans ces domaines.
Une caractéristique particulièrement fascinante de ces nanomatériaux est leur capacité à organiser les atomes en formations inhabituelles, modifiant ainsi les propriétés du matériau pour optimiser une application spécifique, surpassant les matériaux conventionnels grâce à la mécanique quantique.
Dépasser les limites de l’efficacité lumineuse
Malgré leurs avantages, les matériaux de conversion ascendante souffrent d’une faible efficacité d’émission lumineuse, en particulier dans le cas des nanoparticules, car la production de photons de haute énergie à partir de photons de basse énergie est un processus contre-intuitif. Surmonter cet obstacle a représenté un défi majeur pour la science des matériaux pendant des années.
Récemment, une équipe de recherche internationale, avec la participation de l’Institut des Sciences des Matériaux de l’Université de Valence (ICMUV), a réalisé une percée en développant des nanoparticules de lanthanide pour l’ « upconversion » optique beaucoup plus efficaces, surpassant la capacité lumineuse des matériaux conventionnels.
Le travail, publié dans Nature Photonics, révèle qu’un contrôle précis de la taille du domaine, c’est-à-dire de la couche intermédiaire de la nanoparticule de lanthanide, augmente l’efficacité du nanomatériau au-delà de celle de ses homologues à l’échelle micrométrique.
« Cela est dû à un effet de taille unique dans les matériaux luminescents à base de lanthanide, résultant d’un transfert d’énergie à longue portée qui conduit à un rendement quantique de la conversion ascendante impressionnant, convertissant jusqu’à 26% des photons », explique José Marqués-Hueso, chercheur distingué Beatriz Galindo à l’ICMUV et co-signataire de l’article. « Nous avons utilisé certains atomes comme sensibilisateurs spécialisés dans l’absorption de l’excitation et le transfert de l’énergie à l’atome émetteur pour produire de la lumière. Nous avons réalisé cela en synthétisant des nanoparticules en forme d’oignon à trois couches avec une précision quasi atomique », détaille Feng Li, premier auteur de l’article.
« Les avantages sont désormais indéniables pour la bio-imagerie, l’optogénétique, la nanothermométrie, la nanoscopie à super-résolution et tant d’autres applications technologiques pratiques, dont les exigences ne pouvaient pas être satisfaites jusqu’à présent en raison des faibles niveaux d’efficacité lumineuse de ces nanomatériaux », ajoute Liangping Tu, co-auteur de l’article.
« Cette réalisation marque un tournant significatif qui transforme la conception conventionnelle de la conversion ascendante de lanthanide établie dans les années 1960 », déclare le chef de projet et professeur à l’Institut de Technologie de Harbin en Chine, Guanying Chen. « Ce tournant modifie la compréhension de longue date du modèle physique du transfert d’énergie entre les ions de lanthanide, ce qui aura des effets profonds sur la conception de matériaux luminescents pour leurs futures applications en nanophotonique et biophotonique. »
* Dirigé par l’Institut de technologie de Harbin (Chine), le projet bénéficie de la participation de l’Université de Berne (Suisse), de l’Université Heriot Watt d’Édimbourg (Écosse) et de l’Université de Valence (Espagne).
Size-dependent lanthanide energy transfer amplifies upconversion luminescence quantum yields . Feng Li , Langping Tu , Yuqi Zhang , Dingxin Huang , Xingxu Liu , Xiaorong Zhang , Jiarui Du , Rongwei Fan , Chunhui Yang , Karl W. Krämer , Jose Marques-Hueso & Guanying Chen. Nature Photonics (2024)
