Свет, испускаемый люминесцентными частицами, обычно обладает меньшей энергией, чем тот, который был ими абсорбирован. Однако некоторые области применения люминесцентных наночастиц, такие как визуализация (имиджинг), требуют, чтобы излучаемый свет характеризовался более высокой энергией фотонов, чем свет поглощённый. Но подобное преобразование света с повышением его частоты (ап-конверсия) наблюдается только у очень ограниченного числа материалов.

Учёные из Института материаловедения и инжиниринга A*STAR (Сингапур) задались целью расширить скудный список ап-конверсионных материалов и преуспели в этом.

Рис. 1. Новый дизайн позволил наблюдать ап-конверсионные спектры наночастиц типа «ядро — оболочка» самых разных цветов, допируя их оболочки различными элементами-активаторами. (Илл. Nicholas Kotov / University of Michigan).

Обычные ап-конверсионные частицы характеризуются равномерным распределением энергетических уровней, когда каждый последующий уровень отстоит от предыдущего на ту же самую энергетическую разницу. Равные энергетические расстояния между уровнями позволяют электрону забираться всё выше и выше много раз подряд, поглощая фотоны возбуждающего света с одной и той же энергией (цветом). Но когда затем электрон, забравшийся на самый верх импровизированной энерголестницы, ринется вниз до самого нижнего уровня, это приведёт к излучению фотона с большей энергией, чем та, которой обладали первичные фотоны возбуждения.

Известно, что допирование наночастиц редкоземельными элементами подгруппы лантана способно обеспечить формирование необходимой структуры энергетических уровней для получения ап-конверсионных частиц, находящих применение в биологической визуализации, поскольку их высокоэнергетичная эмиссия может быть легко отделена от фонового шума.

Однако только три из четырнадцати лантанидов эффективны в обеспечении ап-конверсии: эрбий, тулий и гольмий. Список получился столь коротким, потому что нужно не только суметь обеспечить формирование должного распределения электронных уровней, но ещё и обладать высокой эффективностью эмиссии фотонов.

Сингапурские учёные решили эту проблему, использовав в качестве допантов сразу нескольких лантанидов для разных стадий ап-конверсионного процесса.

1. Сенсибилизирующие элементы абсорбируют падающий свет и
2. передают абсорбированную энергию находящимся по соседству элементам-«аккумуляторам», электроны которых взлетают по энергетической лестнице до самого верха.
3. Запасённая в «аккумуляторе» энергия транспортируется посредством постоянных миграций до тех пор, пока не перейдёт к активатору. В итоге
4. активатор испускает высокоэнергетичный фотон.

Распределив все четыре роли (сенсибилизатор, аккумулятор, мигратор и активатор) между различными редкоземельными элементами, исследователи смогли сильно упростить набор требований к каждому элементу в отдельности. Кроме того, удалось избежать нежелательных взаимодействий между различными элементами, разделив их пространственно внутри каждой сферической наночастицы: сенсибилизаторы и аккумуляторы были помещены в ядра, активаторы — в оболочки частиц, и только миграторы заняли места как в ядрах, так и в оболочках наночастиц.

Этот дизайн позволил учёным наблюдать ап-конверсионные эмиссионные спектры таких лантанидов, как европий, тербий, диспрозий и самарий.

Недоступное ранее разнообразие радужных цветов!

Более подробно об исследовании читайте в статье

Feng Wang, Renren Deng, Juan Wang, Qingxiao Wang, Yu Han, Haomiao Zhu, Xueyuan Chen & Xiaogang Liu Tuning upconversion through energy migration in core–shell nanoparticles. – Nature Materials. – 2011. – 10. – P.~ 968–973; doi:10.1038/nmat3149 ; Published online 23 October 2011.