Des nanocristaux infrarouges pour voir à travers les tissus biologiques

Les points quantiques, récompensés par le Prix Nobel de Chimie en 2023, offrent une gamme étendue d’applications allant des écrans et lumières LED à la catalyse de réactions chimiques et à l’imagerie biologique. Ces nanocristaux semi-conducteurs, de l’ordre du nanomètre, présentent des propriétés dépendantes de leur taille comme la couleur, et commencent à manifester des propriétés quantiques.

Bien que cette technologie soit bien développée dans le spectre visible, des opportunités restent inexplorées dans les régions ultraviolettes et infrarouges du spectre électromagnétique.

Développement de nanocristaux infrarouges

Le professeur de bioingénierie Andrew Smith et le chercheur postdoctoral Wonseok Lee de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont mis au point des nanocristaux de séléniure de mercure (HgSe) et de séléniure de mercure et de cadmium (HgCdSe) capables d’absorber et d’émettre dans l’infrarouge. Ces nanocristaux sont fabriqués à partir de précurseurs de séléniure de cadmium (CdSe) bien développés pour le spectre visible.

Les nouveaux produits nanocristallins ont conservé les propriétés souhaitées des nanocristaux parentaux de CdSe, notamment la taille, la forme et l’uniformité.

Selon Andrew Smith, «C’est le premier exemple de points quantiques infrarouges de même qualité que ceux du spectre visible».

Bien que la technologie des nanocristaux existe depuis plus de 50 ans, seuls ceux opérant dans le spectre visible ont été significativement avancés. Andrew Smith explique : «Ils sont une grande partie des dispositifs d’affichage et de toute technologie absorbant ou émettant de la lumière. Il y a eu une poussée intrinsèque pour développer une technologie ayant le plus grand marché».

La chimie des matériaux dans l’infrarouge, qui a une longueur d’onde plus longue et une énergie plus faible que la lumière visible, est plus complexe. Pour obtenir une absorption et une émission de lumière dans l’infrarouge, des éléments plus lourds situés plus bas dans le tableau périodique doivent être utilisés. La chimie de ces éléments est plus difficile, entraînant plus de réactions secondaires indésirables et des réactions moins prévisibles. Ils sont également sujets à la dégradation et sensibles aux changements environnementaux, comme l’eau.

Innovation dans la synthèse des nanocristaux

Les nanocristaux de points quantiques peuvent être fabriqués à partir de semi-conducteurs élémentaires, comme le silicium, ou être binaires ou ternaires. Mélanger deux éléments peut produire de nombreuses propriétés différentes, tandis que mélanger trois éléments ensemble peut en produire exponentiellement plus.

«Nous nous concentrons sur un type de matériau, un alliage ternaire—séléniure de mercure et de cadmium—car nous pensons qu’il pourrait être le matériau ‘parfait’ à fabriquer», ajoute Andrew Smith. «On pourrait obtenir pratiquement n’importe quelle propriété en changeant le ratio des atomes de cadmium et de mercure. Cela peut couvrir une vaste gamme du spectre électromagnétique—de l’infrarouge au visible—et obtenir de nombreuses propriétés».

Le chercheur a tenté de fabriquer ce matériau depuis ses études supérieures sans succès, et même dans la communauté de recherche plus large, aucun rapport de succès n’a été publié, jusqu’à présent. « Nous avons utilisé les points quantiques visibles déjà perfectionnés—le séléniure de cadmium, considéré comme le point quantique le plus développé—comme ‘moule sacrificiel' », explique-t-il.

Le remplacement des atomes de cadmium par des atomes de mercure déplace instantanément tout dans le spectre infrarouge, tout en conservant la qualité souhaitée : forte absorption de lumière, forte émission de lumière et homogénéité.

Applications potentielles des points quantiques infrarouges

Smith et Lee ont dû abandonner la méthode traditionnelle de synthèse des nanocristaux, qui consiste à mélanger les éléments précurseurs et, dans les bonnes conditions, à les décomposer en la forme nanocristalline souhaitée. Il n’existe aucune condition connue pour le mercure, le cadmium et le séléniure. «Lee a développé un nouveau processus appelé échange cationique amélioré par interdiffusion», explique Andew Smith. «Dans ce processus, nous ajoutons un quatrième élément, l’argent, qui introduit des défauts dans le matériau, provoquant un mélange homogène. Cela a résolu tout le problème».

Les points quantiques ont de nombreuses applications, mais une application des points quantiques infrarouges avec un potentiel d’impact majeur est leur utilisation comme sondes moléculaires pour l’imagerie. Ils peuvent être introduits dans des systèmes biologiques et détectés dans les tissus. La plupart des points quantiques émettent dans le spectre visible, ce qui limite la détection à la surface de la peau. Cependant, la biologie est relativement transparente dans l’infrarouge, permettant ainsi de sonder des tissus plus profonds.