洋葱层状结构有利于提高纳米颗粒的发光效率

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由布法罗大学的生物光子研究所（ILPB）等多个研究团队共同研发出的洋葱层状结构[纳米颗粒能有效地将近红外光转换为能量更高的蓝光或紫外光。它有望在医学成像、太阳能电池和基于光的安全技术等领域开辟新的发展空间。

如文中的渲染图所示：这种特制的新型洋葱层状纳米颗粒能有效地将近红外光转换为能量更高的蓝光或紫外光。


新型洋葱层状纳米颗粒可能会在医学成像、太阳能电池和基于光的安全技术等领域开辟新的发展空间。


这项新型粒子的创新在于它的层状结构：有机染料涂层，含钕外壳以及镱和铥组成的核心。这些分层结构能够以目前最高的转换效率将近红外光转换为能量更高的蓝光或紫外光。这项研究有望提高从人体深层组织成像，光疗法到用于印刷钞票的防伪油墨等科学技术。


在生物影像领域，我们可以使用近红外光来激发植入于身体深层组织的纳米颗粒，使其发光，从而获得目标区域的高对比度的图像。在安全技术方面，含有这种纳米颗粒的墨水可以用在货币设计上。这种墨水裸眼下不可见，但当用低能的激光照射时就会发出蓝光，这个特点是很难被造假者仿制的。


布法罗大学的光医学副主任医师兼生物光子学研究所(ILPB)的副研究员的Tymish Ohulchanskyy 说：“这种新型层状纳米颗粒能为将来的研究提供多种多样的可能性。”


“我们通过创造一种能够发射蓝光和紫外光的特殊层状结构克服了先前技术长期面对的障碍。这种结构有助于提高能量从粒子表层传递至核心效率。”时任哈尔滨科技协会化学教授和生物光子研究所（ILPB）副研究员的陈冠英说。


在这个项目中发挥重要作用的一位布罗法大学化学专业的博士Jossana Damasco说道：“这种颗粒在光的升频方面的效率是以前类似的纳米颗粒的1000倍之多，这使它具有更多使用价值。”


这项由布法罗大学的生物光子研究所（ILPB），哈尔滨工业大学（中国）和瑞典皇家理工大学，俄罗斯托木斯克大学以及马萨诸塞大学医学院共同合作的研究发表在10月21日的《Nano Letters》杂志上。


这项研究的第一作者是Paras Prasad，他是生物光子学研究所（ILPB）的主任，也是纽约州立大学化学、物理、医学方面的杰出教授，同时也担任布法罗大学电器工程专业的教授。


我们知道，将低能量的光转化为高能量的光是不容易的。这个过程包括捕捉两个或者更多的低能量的光子，并且将他们结合起来使之形成一个具有高能量的光子。这个洋葱状的纳米颗粒能很好的执行这个任务。三层中的每一层都有独一无二的功能。


最外面的一层是有机染料的涂层。这个染料层能很好的吸收低能量的近红外光子。Ohulchanskyy表示，对这个纳米颗粒而言，它充当着“天线”的角色，能捕获光并且将它的能量传递到纳米粒里面。下一层是作为桥梁的含钕层，它将染料层吸收的能量传递到纳米粒子的发光芯层。最里面的一层是发光芯层。镱和铥离子是一起发挥作用的，镱离子吸收能量并将能量传给铥离子，而铥离子能一次吸收3、4或者5个光子并且将它们转化为一个具有高能量的蓝光或者紫外光子。


既然那样，为什么不只用这个中心层？究竟是为什么要增加染料层和钕层呢？


就像 Ohulchanskyy and Chen解释的那样，纳米颗粒的中心层从外界吸收能量的效率是很低的。这就是为什么会引入染料层。


一旦引入了染料层，那么作为将能量从染料层传递到中心层的钕层就是必须的了。Ohulchanskyy用一个楼梯的例子来解释为什么会是这样。当材料中的离子或者是分子吸收光子时，它们会进入激发态，这样就能传递能量给其他的分子或者是离子了。最有效的传递是发生在当分子吸收的能量和其所要变成的激发态的能量相近的时候。而有机染料和镱变成激发态所需的能量差别是很大的，所以这个团队就引入了钕层。钕变为激发态所需的能量是在有机染料和铥变成激发态所需能量之间，所以它能作为两者的桥梁，创造出一个“梯子”让能量到达发光铥离子。