Un nanocristal brille indéfiniment

“Nous avons trouvé la première nanoparticule entièrement photostable et entièrement photocommutable – un Saint Graal de la conception de nanosondes”, a déclaré Schuck, professeur agrégé de génie mécanique.

Ce matériau unique a été synthétisé dans les laboratoires d’Emory Chan et de Bruce Cohen à la 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).

Le Saint Graal : un interrupteur d’éclairage simple et stable

Les colorants organiques et les protéines fluorescentes existants utilisés dans des applications telles que la mémoire optique, le nanopatterning et la bioimagerie ont donné lieu à des années de percées (et ont remporté un prix Nobel de chimie en 2014), mais ces molécules ont une durée de vie limitée. Lors de l’illumination, la plupart commenceront à clignoter au hasard et finiront par s’assombrir de façon permanente, ou “photobleach”.

En revanche, les nanoparticules dopées aux lanthanides présentent une photostabilité remarquable. En plus de 15 ans de travail avec eux dans son laboratoire, Schuck a noté qu’ils n’en avaient jamais vu mourir. Jusqu’à un jour aléatoire en 2018, lorsque Lee et la doctorante Emma Xu ont observé un cristal s’assombrir, puis se rallumer. Lee a creusé dans la littérature et a trouvé des mentions vieilles de 30 ans de fibres optiques de lanthanide qui pourraient être “photo-obscurcies” et “photoéclairées” – suggérant que le comportement de clignotement pourrait être contrôlé.

Dans un nouvel article publié aujourd’hui dans Nature, l’équipe fait exactement cela. À l’aide d’une lumière proche infrarouge, ils ont assombri et éclairci leurs nanoparticules plus d’un millier de fois dans différents environnements ambiants et aqueux sans aucun signe de dégradation.

“Nous pouvons désactiver ces particules, qui autrement ne photoblanchissent pas, avec une longueur d’onde de lumière et les réactiver avec une autre, simplement en utilisant des lasers courants”, a déclaré Lee. Notamment, la lumière proche infrarouge peut pénétrer profondément dans les matériaux inorganiques et les tissus biologiques avec une diffusion ou une phototoxicité minimale.

Des résultats étranges éclairent les applications futures

En ce qui concerne les applications potentielles, l’équipe a démontré comment les particules peuvent être utilisées pour écrire – et réécrire – des motifs sur des substrats 3D, ce qui pourrait un jour améliorer le stockage de données optiques à haute densité et la mémoire informatique.

“Ce nanocristal de photocommutation bidirectionnel indéfini pourrait produire un dispositif de mémoire quantique entièrement optique pour stocker la grande quantité de données produites par les ordinateurs quantiques – pensez aux CD-ROM et aux CD-RW, mais plus rapides et beaucoup plus précis”, a déclaré Suh.

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

L’équipe pense que la photocommutation observée dans les travaux en cours résulte finalement de défauts de cristaux 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 dans la mémoire optique, la microscopie à super-résolution, la bioimagerie et la biodétection, l’équipe utilise des robots de synthèse de nanoparticules à la fonderie moléculaire, des modèles informatiques avancés et l’apprentissage automatique pour améliorer davantage les cristaux actuels et explorer s’ils peuvent synthétiser d’autres types de nanoparticules avec des propriétés photocommutables similaires.

Toute cette étude a été une surprise, a déclaré Cohen. “Nous disions depuis notre article de 2009 que cette classe de nanoparticules ne s’allume pas et ne s’éteint pas, et pourtant c’est exactement ce que nous étudions ici. L’une des choses que nous avons trouvées avec ces nanoparticules est d’adopter des résultats étranges. “