В статье рассказывается о новой простой и доступной в реализации технологии, позволяющей преобразовать энергию фотонов невидимого инфракрасного света в энергию излучения синего и ультрафиолетового спектра. По мнению авторов разработки, их продукт – многослойная наночастица с уникальными рабочими характеристиками, найдет применение в самых разных областях, начиная с возможности создания более эффективных солнечных преобразователей и элементов систем безопасности — и оканчивая биоимиджингом на принципиально новом уровне…

Объединенной группе ученых из Харбинского технологического университета, факультета лазеров, фотоники и биофотоники Университета Буффало, Королевского технологического института в Швеции, Томского государственного университета в России и Массачусетского университета удалось получить новый тип наночастиц, которые способны преобразовывать излучение невидимого инфракрасного спектра в более эффективное высокоэнергетическое излучение, лежащее в пределах синего и ультрафиолетового спектра.

Поиск эффективных методов преобразования низкоэнергетического излучения в более энергоэффективное ведется уже очень давно. Существующие методы трансформации низкоэнергетического излучения связаны со сложными многокаскадными преобразованиями, основывающимися на объединении двух или нескольких низкоэнергетических фотонов в один фотон с более высоким уровнем энергии.

Новый принцип, предложенный учеными хотя и реализует идею, описанную выше, но использует при этом совершенно новый оригинальный подход. Эффективное решение вопроса преобразования энергии фотонов, как сумели экспериментально доказать ученые, достигается благодаря простому и изящному решению — применению многослойной наночастицы.

Интересующее энергетическое преобразование достигается благодаря передачи энергии фотовозбуждения внешнего слоя, который поглощает инфракрасное излучение к внутренней сфере из неодима, внутри которой содержится сплав из тулия и иттербия. Именно их атомы и совершают обратное преобразование энергии низкоэнергетического инфракрасного спектра в высокоэнергетическое синее и ультрафиолетовое излучение.

Инновационная наночастица состоит из трех слоев: внешнего покрытия из органического красителя, сферической оболочки из неодима и ядра из иттербия и тулия. Все вместе эти слои оказываются способны провести нужное преобразование.

Каждый из трех слоев отвечает за свою уникальную функцию:

Внешний слой из органического красителя оптимизирован под эффективное поглощение фотонов низкоэнергетического излучения инфракрасного спектра. Это своего рода антенна, собирающая фотоны и передающая их далее – второму слою наночастицы.

Принимает излучение неодимовая оболочка, которая выполняет роль моста, транспортирующего энергию, полученную в слое красителя вглубь, к ядру частицы.

Ядро из тулия и иттербия, работающих в нем согласованно, проделывают главную работу по преобразованию энергии. Ионы иттербия принимают энергию в ядро и передают ее ионам тулия, которые обладают уникальным свойством поглощать энергию трех-четырех или пяти низкоэнергетических фотонов одновременно и излучать собранную энергию на уровне одного, более высокоэнергетического фотона синего или УФ-спектра.

Здесь возникает закономерный вопрос: а зачем, собственно, городить огород из двух поверхностных слоев неодима и красителя, а не воспользоваться возможностями одного ядра с такими уникальными свойствами? Ответ на этот вопрос дает профессор Чен: “… Само по себе ядро является неэффективным в поглощении фотонов от внешнего источника. А вот краситель подходит практически идеально. Применение слоя неодима в качестве ”ступеньки энергетической лестницы” позволяет транслировать энергию фотонов от слоя красителя к ядру из тулия и иттербия практически без потерь".

«Наша трехслойная частица примерно в 100 раз более эффективна при преобразовании света, чем аналогичные наночастицы, созданные в прошлом, что позволяет найти ей широкое практическое применение …» – говорит аспирант Джоссана Дамаско (Jossana Damasco), сыгравшая ключевую роль в разработке. «Очень важно, что такие наночастицы можно производить в больших количествах достаточно простым и дешевым способом».

Созданные трехслойные наночастицы, по мнению ученых, — это не только реальная возможность для более эффективного преобразования солнечной энергии в электрическую. Будучи “обернуты” в дополнительный защитный слой, такие наночастицы могут вводиться внутрь живых организмов и использоваться в качестве средства высококачественной ”съемки” внутренних органов на самых глубоких уровнях. Их введение в состав чернил позволит получать уникальные составы для нанесения невидимых меток, создающих беспрецедентно высокий уровень защиты денежных знаков, ценных бумаг и документов особой важности. Будучи невидимыми невооруженным глазом при облучении низкоэнергетическими лазерными импульсами такие чернила будут светиться синим светом. И подделка таких меток при нынешних технологических возможностях будет практически нереальной.

Трехслойные наночастицы под микроскопом

Комментируя значение разработки, профессор химии Харбинского технологического института Гуанинг Чен (Guanying Chen) сказал:

«Трехслойная структура частицы, позволяющая передавать энергию эффективно от ее поверхности к ядру, которое в результате преобразования испускает синий и ультрафиолетовый свет, позволит преодолеть некоторые из давних препятствий, которые становились краеугольным камнем ранее предложенных технологий».

Финансирование исследований стало возможным благодаря государственным фондам и программам Китая. Результаты исследования были опубликованы в научном онлайн-журнале

Nano Letters

21 октября. Руководитель проекта – Пункты Прасад (Paras Prasad), исполнительный директор и заслуженный профессор в области химии, физики, медицины и электротехники в Университете Буффало(UB). Источник