Los científicos de materiales de la Universidad de California, Riverside y la Universidad de Texas en Austin han demostrado que es posible lograr una conversión ascendente de fotones, la emisión de luz con energía más alta que la que excita el material, cuando se usa cuidadosamente diseñadoestructuras que contienen nanocristales de silicio y moléculas orgánicas especializadas.
El logro, publicado en Química de la naturaleza , acerca a los científicos un paso más cerca del desarrollo de tratamientos fotodinámicos mínimamente invasivos para el cáncer. El avance también podría acelerar las nuevas tecnologías para la conversión de energía solar, información cuántica y fotocatálisis impulsada por infrarrojo cercano.
La luz de alta energía, como la luz láser ultravioleta, puede formar radicales libres capaces de atacar el tejido canceroso. Sin embargo, la luz ultravioleta no viaja lo suficiente hacia los tejidos para generar radicales terapéuticos cerca del sitio del tumor. Por otro lado,la luz infrarroja cercana penetra profundamente pero no tiene suficiente energía para generar los radicales.
Si bien la conversión ascendente de fotones puede superar esta limitación, los materiales convertidos hacia arriba tienen baja eficiencia o se basan en materiales tóxicos. El silicio es conocido por no ser tóxico, pero hasta ahora, los investigadores no han podido demostrar que los nanocristales de siliciopuede convertir los fotones de forma ascendente, dejando este prometedor tratamiento contra el cáncer fuera de su alcance.
Un grupo dirigido por el estudiante de doctorado en ciencias de materiales de UC Riverside, Pan Xia, atacó este problema estudiando cuidadosamente la química de la superficie de los nanocristales de silicio. El grupo aprendió cómo unir ligandos, que ayudan a unir moléculas, a la nanopartícula que está específicamente diseñada para transferirla energía de los nanocristales a las moléculas circundantes
El equipo luego iluminó con luz láser la solución. Descubrieron que los nanocristales de silicio con ligandos de superficie apropiados pueden transferir rápidamente la energía al estado triplete de las moléculas circundantes. Un proceso llamado fusión de triplete-triplete luego convierte la excitación de baja energía en altaenergía uno, lo que resulta en la emisión de un fotón a una longitud de onda más corta, o energía más alta, que la originalmente absorbida por la nanopartícula.
"Funcionalizamos nanocristales de silicio con antraceno. Luego excitamos los nanocristales de silicio y descubrimos que la energía se transfirió eficientemente desde el nanocristal, a través de las moléculas de antraceno, hasta el difenilantraceno en solución", dijo Xia. "Significa que aumentamos-luz de energía "
"Para convertir los fotones de baja energía en fotones de alta energía, debe usar tripletes, debe usar nanopartículas confinadas cuánticas, y debe mantener las nanopartículas y las moléculas orgánicas muy juntas. Así es como se obtienelos trillizos para combinar energía para obtener los fotones de alta energía ", dijo el coautor Ming Lee Tang, profesor asociado de química en UC Riverside y asesor de disertación de Xia. El laboratorio de Tang fue pionero en cómo unir moléculas orgánicas conjugadas a las nanopartículas de silicio.
"Este trabajo es muy fundamental", dijo el coautor Lorenzo Mangolini, profesor asociado de ingeniería mecánica, cuyo grupo fabricó los nanocristales de silicio. "La novedad es realmente cómo obtener las dos partes de esta estructura: las moléculas orgánicasy los nanocristales de silicio confinados cuánticos, para trabajar juntos. Somos el primer grupo que realmente los unió ".
El coautor Sean Roberts, profesor asistente de química en la Universidad de Texas en Austin, utilizó láseres ultrarrápidos para investigar cómo se transfiere la energía en esta estructura híbrida, y determinó que el proceso es increíblemente rápido y eficiente.
"El desafío ha sido obtener pares de electrones excitados de estos materiales orgánicos y convertirlos en silicio. No se puede hacer simplemente depositando uno encima del otro", dijo Roberts. "Se necesita construir un nuevo tipo de químicointerfaz entre el silicio y este material para permitirles comunicarse electrónicamente "
El descubrimiento también podría conducir a una fotocatálisis mejorada, que utiliza la luz para generar reacciones químicas.
"Los fotocatalizadores generalmente solo funcionan con luz ultravioleta o luz violeta, por lo que esta es una forma de generar eso a partir del resto del espectro solar", dijo Tang.
El enfoque centrado en el silicio ambientalmente sostenible también es relevante para la ciencia de la información cuántica y las células solares impulsadas por fisión singlete.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Riverside . Original escrito por Holly Ober. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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