30/04/2014 - Conçu un nouveau matériau hybride fluorescent qui change de couleur avec la direction de la lumière

Menéame

Le Groupe de travail Spectroscopie moléculaire de la UPV/EHU, en collaboration avec Instituto de Catálisis y Petroleochimique du CSIC, il a développé un matériau hybride très fluorescent qui change de couleur en fonction de la polarisation de la lumière avec laquelle il est éclairé.

La recherche a été publiée dans ACS Photonics, le nouveau magazine de American Chemical Society dédiée en exclusivité à la Photonique.

Les matériaux hybrides, avec un composant organique et un composant inorganiques, cherchent à combiner les meilleurs attributs des deux en un seul système. Les laboratoires du monde entier travaillent à la mise au point de nouveaux matériaux hybrides pour les applications technologiques, en particulier dans les nanotechnologies, et ils sont déjà utilisés dans des matériaux légers pour les voitures, les équipements sportifs, les matériaux biomythiques, comme les prothèses, etc.

Les matériaux hybrides recherchés par le groupe de recherche du Département de chimie physique devaient satisfaire à un certain nombre de exigences très spécifiques. Ils avaient besoin d’une structure cristalline avec des nanocanaux parallèles, pour que les molécules du matériau organique hôte, un colorant, puissent s’aligner; ils avaient besoin que la taille des pores de l’hôte soit inférieure à 1nm (millionième partie de 1 millimètre) pour que le colorant soit étroitement ajusté; ils avaient, enfin, besoin non pas d’un, mais de deux colorants, de taille et de forme similaires, mais de propriétés optiques complémentaires qui répondaient différemment à la stimulation de la lumière.

Le principal défi était donc de parvenir à cet ajustement parfait entre la nanostructure inorganiques et les molécules de colorant. Ils l’ont obtenu en utilisant comme matériel d’accueil un aluminophosphate (AIPO-11), qui a une taille de pores adapté pour loger des colorants avec une structure de trois anneaux bencéniques fusionnés, tels que les choisis: la pyronine, de fluorescence verte, et l’acridine, de fluorescence bleue. "Les colorants entrent dans l’ordre, s’alignent le long des nanocanaux, et leurs propriétés fluorescentes s’améliorent à l’intérieur d’eux," explique Virginia Martínez, chercheuse Ramón et Cajal du groupe de Spectroscopie Moleculaire. L’amélioration est due non seulement à la limitation de la flexibilité moléculaire du colorant, mais aussi au fait que celui-ci est inclus sous forme de mono-Amérique, c’est-à-dire qu’il entre dans le canal en unités séparées et qu’il en résulte une grande luminescence, car la fluorescence est perdue lorsqu'elle est ajoutée.

Pour parvenir à cet ajustement parfait, la procédure de synthèse a joué un rôle fondamental. Dans les matériaux hybrides photoactifs, normalement, la partie organique est introduite dans l’inorganique depuis la phase gazeuse ou liquide, par diffusion, mais cette méthode ne permet pas d’atteindre le niveau d’oclusion nécessaire à cette recherche. Ils ont donc choisi d’introduire le colorant dans le gel qui synthétise les matières inorganiques, de sorte que, alors que le verre grandissait, il intégrait le chromophore organique.

Au début, ils ont introduit un seul colorant, la pyronine, et ont obtenu un matériau très lumineux. En fait, en utilisant la microscopie confocale de fluorescence, ils ont enregistré un alignement quasi total des molécules de colorant le long du canal (raison dicroique de 40), un alignement qui n’avait pas été rapporté auparavant.

Ensuite, ils ont introduit la pyronine et l’acridine dans le processus de synthèse, et ont obtenu des cristaux rectangulaires de 30x20 microns qui changeaient de couleur de façon frappante selon la polarisation de la lumière avec laquelle ils s’éclairaient: si elle était polarisée le long du canal, elle était verte; si elle était perpendiculaire, elle présentait une couleur bleue. Ce comportement montrait qu’il y avait un transfert d’énergie entre les colorants.

" L’accordage de la couleur est en outre un processus instantané et efficace, totalement réversible et reproductive, avec une résistance élevée à la fatigue," signale Iñigo López Arbelloa. Les applications possibles de ce type de matériaux hybrides photoactifs sont donc multiples: ils peuvent être utilisés comme antennes sur cellules photovoltaïques, pour le stockage de l’information, sur les câbles photoniques, sur les systèmes laser... En fait, le nouveau matériau hybride représente une avancée dans le développement de lasers à l’état solide, d’un intérêt biomédical majeur, car ils sont plus faciles à utiliser et moins polluants que les liquides actuellement utilisés.

À propos du Groupe de Spectroscopie Moleculaire

Le Groupe de Spectroscopie Moleculaire, qui dirige le professeur de la Faculté de Science et Technologie Iñigo López Arbeloa, est composé de trois professeurs, un chercheur Ramón et Cajal et un autre Juan de la Cerva, ainsi que de cinq étudiants prédoctoraux. L’équipe dispose d’une vaste expérience dans le domaine des matériaux photoactifs et de leur modélisation avancée afin de développer des lasers tunerables, des systèmes d’antenne pour cellules photovoltaïques et un traitement photodynamique du cancer, ainsi que des capteurs fluorescents.

Dans le cadre de cette recherche, le Groupe de la spectroscopie s’est penché sur la conception, la caractérisation et l’applicabilité du matériel, tandis que la synthèse et la simulation théorique ont été réalisées à l’Institut de catalysie et de Petroleochimie du CSIS.

Référence bibliographique

Virginia Martinez-Martinez, Raquel Garcia, Luis Gomez-Hortiguela, Rebeca Sola Llano, Joaquin Perez-Pariente and Inigo Lopez-Arbeloa. "Highly Luminescent and Optically Switchable Hybrid Material by One Pot Encapsulation of Dyes into MgAPO-11 Unidirectional Nanopores". ACS photonics. (2014) 1(3) 205-211.

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Source Nouvelles et Image: UPV/EHU

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