Allumer et éteindre les nanocristaux à l’infini
En 2021, des scientifiques ont découvert avec enthousiasme que des nanoparticules dopées par les lanthanides pouvaient déclencher une réaction en chaîne extrême produisant de la lumière. Avec le soutien partiel du projet AETSOM, financé par l’UE, ils sont parvenus à faire en sorte que ces nanoparticules s’allument et s’éteignent délibérément et indéfiniment. Leurs recherches ont été publiées dans la revue «Nature». Les colorants organiques et les protéines fluorescentes utilisés dans des applications telles que la mémoire optique et la bio-imagerie clignotent généralement de manière aléatoire jusqu’à perdre leur fluorescence au point de s’assombrir définitivement. C’est ce que l’on appelle le photoblanchiment. Les nanocristaux dopés par les lanthanides font preuve, quant à eux, d’une photostabilité remarquable. Comme indiqué dans un communiqué de presse «EurekAlert!», les scientifiques travaillant dans le laboratoire du professeur agrégé P. James Schuck, auteur principal de l’étude rattaché à l’université de Columbia (États-Unis), partenaire du projet AETSOM, n’en avaient jamais vu mourir au cours de leurs nombreuses années de recherche. C’est en 2018 qu’ils ont observé pour la première fois un cristal s’obscurcir puis se rallumer. D’autres recherches ont permis de découvrir qu’il était possible de contrôler le comportement de clignotement des fibres optiques de lanthanide. Pour s’assurer qu’ils avaient bien découvert la première nanoparticule entièrement photostable et photocommutable, l’équipe a utilisé une lumière proche de l’infrarouge pour assombrir et éclaircir les nanocristaux dans différents environnements ambiants ou aqueux. Après les avoir allumés et éteints plus d’un millier de fois, aucun signe de dégradation n’était visible. «Nous pouvons éteindre ces particules, qui ne présentent aucun photoblanchiment, avec une longueur d’onde de lumière, et les rallumer avec une autre, simplement à l’aide de lasers ordinaires», a observé Changhwan Lee, docteur et auteur principal de l’étude, chercheur postdoctoral à l’université de Columbia.
Applications potentielles
Comme indiqué dans le communiqué de presse, l’équipe a montré comment les nanoparticules peuvent être utilisées pour écrire et réécrire des motifs sur des substrats 3D, ce qui pourrait contribuer à améliorer le stockage de données optiques à haute densité et la mémoire des ordinateurs à l’avenir. «Ce nanocristal photocommutable bidirectionnel et indéfini pourrait donner naissance à un dispositif de mémoire quantique entièrement optique, tel que des CD-ROM et des CD-RW plus rapides et beaucoup plus précis, permettant de stocker l’énorme quantité de données produites par les ordinateurs quantiques», explique Yung Doug Suh, professeur et coauteur de l’étude, rattaché à l’Institut coréen de recherche en technologie chimique, en Corée du Sud. En plus de faire progresser le stockage optique des données, les nanoparticules photocommutables pourraient ouvrir bien d’autres voies, en stimulant un large éventail d’autres technologies allant de l’imagerie à super-résolution et de la nanophotonique à la pharmacologie ciblée, en passant par l’optogénétique et la réactivité chimique. Mais comment cela est-il possible? Comment se produit la photocommutation dans ces nanocristaux? L’équipe pense que, dans ses travaux, la photocommutation est le résultat de défauts de cristaux atomiques si petits qu’ils ne peuvent être observés même avec les microscopes électroniques les plus avancés. Comme indiqué dans le communiqué de presse, «ces défauts déplacent le seuil d’avalanche de la particule vers le haut ou vers le bas et peuvent être activés par différentes longueurs d’onde de lumière pour rendre le signal plus ou moins lumineux». Selon le Bruce Cohen, docteur et coauteur de l’étude, rattaché au Laboratoire national Lawrence-Berkeley aux États-Unis, cette étude était tout à fait inattendue. «Depuis notre article de 2009, nous affirmons que cette catégorie de nanoparticules ne s’allume pas et ne s’éteint pas, et pourtant, c’est précisément ce que nous étudions ici. L’une des choses que nous avons apprises avec ces nanoparticules, c’est qu’il faut accepter les résultats bizarres.» AETSOM (Engineering a solution to the «resolution gap» problem for probing local optoelectronic properties in low-dimensional materials) est coordonné par l’Université hébraïque de Jérusalem. Le projet s’achèvera en août 2024. Pour plus d’informations, veuillez consulter: projet AETSOM
Mots‑clés
AETSOM, nanoparticules, nanocristaux, lumière, lanthanide, photocommutation