En ny, lökliknande nanopartiklar kan öppna nya gränser inom biomaging, solenergiskörd och ljusbaserade säkerhetstekniker.

Partikelns innovation ligger i dess lager:en beläggning av organiskt färgämne, ett neodym-innehållande skal, och en kärna som innehåller ytterbium och thulium. Tillsammans, dessa skikt omvandlar osynligt nära-infrarött ljus till högre energi blått och UV-ljus med rekordhög effektivitet, ett knep som kan förbättra prestandan hos tekniker som sträcker sig från djupvävnadsbildbehandling och ljusinducerad terapi till säkerhetsbläck som används för att skriva ut pengar.

När det gäller bioavbildning, nära-infrarött ljus kan användas för att aktivera de ljusemitterande nanopartiklarna djupt inne i kroppen, ger bilder med hög kontrast av intresseområden. I säkerhetsområdet, nanopartikelinfunderade bläck skulle kunna införlivas i valutadesigner; sådant bläck skulle vara osynligt för blotta ögat, men lyser blått när de träffas av en lågenergilaserpuls – en egenskap som är mycket svår för förfalskare att reproducera.

"Det öppnar upp flera möjligheter för framtiden, " säger Tymish Ohulchanskyy, biträdande chef för fotomedicin och forskningsdocent vid Institutet för laser, Fotonik, och Biophotonics (ILPB) vid universitetet i Buffalo.

"Genom att skapa speciella lager som hjälper till att överföra energi effektivt från partikelns yta till kärnan, som avger blått och UV-ljus, vår design hjälper till att övervinna några av de långvariga hinder som tidigare tekniker stått inför, säger Guanying Chen, professor i kemi vid Harbin Institute of Technology och ILPB forskningsdocent.

"Vår partikel är ungefär 100 gånger effektivare när det gäller att 'uppkonvertera' ljus än liknande nanopartiklar som skapats tidigare, gör det mycket mer praktiskt, " säger Jossana Damasco, en UB kemi doktorand som spelade en nyckelroll i projektet.

Forskningen publicerades online i Nanobokstäver den 21 oktober och leds av Institutet för laser, Fotonik, och biofotonik vid UB, och Harbin Institute of Technology i Kina, med bidrag från Kungliga Tekniska Högskolan i Sverige; Tomsk State University i Ryssland; och University of Massachusetts Medical School.

Studiens seniorförfattare var Paras Prasad, ILPB verkställande direktör och SUNY Distinguished Professor i kemi, fysik, medicin och elektroteknik vid UB.

Skala tillbaka lagren

Att omvandla lågenergiljus till ljus med högre energier är inte lätt att göra. Processen involverar att fånga två eller flera små paket av ljus som kallas "fotoner" från en lågenergiljuskälla, och kombinera sin energi för att bilda en enda, högre energi foton.

Den löklika nanopartikeln utför denna uppgift vackert. Vart och ett av dess tre lager fyller en unik funktion:

• Det yttersta lagret är en beläggning av organiskt färgämne. Detta färgämne är skickligt på att absorbera fotoner från lågenergi nära-infraröda ljuskällor. Den fungerar som en "antenn" för nanopartikeln, skörda ljus och överföra energi inuti, säger Ohulchanskyy.
• Nästa lager är ett neodym-innehållande skal. Detta lager fungerar som en bro, överför energi från färgämnet till partikelns ljusemitterande kärna.
• Inuti den ljusemitterande kärnan, ytterbium- och thuliumjoner samverkar. Ytterbiumjonerna drar energi in i kärnan och skickar energin vidare till thuliumjonerna, som har speciella egenskaper som gör att de kan absorbera energin från tre, fyra eller fem fotoner samtidigt, och sänder sedan ut en enda högre energifoton av blått och UV-ljus.

Så varför inte bara använda kärnan? Varför lägga till färgämnet och neodymskiktet överhuvudtaget?

Som Ohulchanskyy och Chen förklarar, själva kärnan är ineffektiv när det gäller att absorbera fotoner från omvärlden. Det är där färgämnet kommer in.

När du väl har lagt till färgämnet, det neodymhaltiga lagret är nödvändigt för att överföra energi effektivt från färgämne till kärna. Ohulchanskyy använder analogin med en trappa för att förklara varför detta är:När molekyler eller joner i ett material absorberar en foton, de går in i ett "exciterat" tillstånd från vilket de kan överföra energi till andra molekyler eller joner. Den mest effektiva överföringen sker mellan molekyler eller joner vars exciterade tillstånd kräver en liknande mängd energi för att få, men färgämnet och ytterbiumjonerna har exciterade tillstånd med mycket olika energier. Så teamet lade till neodym - vars exciterade tillstånd ligger mellan färgämnets och thuliums - för att fungera som en bro mellan de två, skapa en "trappa" för energin att resa ner för att nå emitterande thuliumjoner.