Confinés dans des nanotubes diélectriques, les colorants organiques gardent leur éclat

Publié par Redbran le 24/10/2020 à 13:00
Source: CNRS INP
Les propriétés optiques des colorants organiques se détériorent facilement par des réactions avec l'environnement et par ailleurs, elles sont très sensibles à la façon dont les molécules sont organisées à l'échelle nanométrique. Des chercheurs et des chercheuses montrent ici que leur insertion dans des nanotubes de nitrure de bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) offre d'excellentes conditions pour les protéger tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en permettant de les utiliser plus efficacement comme nanosondes en bio-imagerie, ou plus généralement comme nanoémetteurs de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...) stable.

Grâce à leur interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) intense avec la lumière, les colorants organiques sont utilisés dans différents domaines, notamment comme agents de contraste en bio-imagerie, comme milieu à gain pour certains lasers ou encore comme colorants dans les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) artistiques et les teintures. Ces molécules sont cependant fragiles car elles réagissent avec les espèces oxydantes naturellement présentes dans l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres...) et dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), ce qui mène à une extinction (D'une manière générale, le mot extinction désigne une action consistant à éteindre quelque chose. Plus particulièrement on retrouve ce terme dans plusieurs domaines :) irréversible de leur activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.). Ce phénomène pose d'autant plus problème lorsque les quantités de colorants utilisés sont très faibles, comme c'est le cas en photonique quantique ou en bio-imagerie. De plus, les molécules organiques se laissent difficilement arranger et orienter.


De haut en bas: Schéma illustrant des colorants organiques encapsulés dans des nanotubes de nitrure de bore Mol@BNNT. Spectre et image en fluorescence de Mol@BNNT. Utilisation des Mol@BNNT en bio-imagerie sur des petits crustacés (Les crustacés (Crustacea) sont des arthropodes, c'est-à-dire des animaux dont le corps est revêtu d’un exosquelette...) dans le domaine optique visible (VIS) et proche infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.) (NIR).

Pour pallier ces problèmes, des chercheurs et des chercheuses du Laboratoire d'étude des microstructures (LEM, CNRS/ONERA), du Laboratoire photonique, numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par...), nanosciences (LP2N, CNRS/Université de Bordeaux/IOGS), de Polytechnique Montréal (Montréal est à la fois région administrative et métropole du Québec[2]. Cette grande agglomération canadienne constitue un centre majeur du commerce, de l'industrie, de la culture, de la finance et des affaires internationales....) et de l'Université de Montréal (L’Université de Montréal est l'un des quatre établissements d'enseignement supérieur de Montréal au Québec. Elle est l'une des dix grandes...) (Canada) sont parvenus à insérer des colorants organiques dans des nanotubes de nitrure de bore (BNNT). Cette encapsulation (L'encapsulation en général est la notion de mettre une chose dans une autre. En imageant, on peut voir que cette chose est mise dans une capsule. En particulier, on peut retrouver ce terme dans plusieurs domaines :) protège efficacement les colorants organiques de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...) extérieur, aligne les molécules dans un état propice à l'émission de lumière et augmente leur photostabilité d'un minimum de quatre ordres de grandeur comparé aux mêmes colorants laissés libres.

Les BNNT ont un diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la...) moyen compris entre 0,8 et 3 nanomètres et sont de proches parents des nanotubes de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) (SWCNT). Ils se distinguent par leur bande interdite plus élevée: 5,5 eV contre 1 eV pour les SWCNT semi-conducteurs. Des colorants ont déjà été confinés avec succès dans des SWCNT, mais leur luminescence (La luminescence est une émission de lumière dite "froide", par opposition à l'incandescence qui elle est chaude.) est court-circuitée par les SWCNT eux-mêmes, ce qui n'arrive pas avec les BNNT grâce à leur bande interdite. Les scientifiques ont utilisé leur nouveau système comme nanosondes lumineuses dans des tissus vivants, aux longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde...) visible et proche infrarouge. Des expériences à l'échelle de micro-organismes, mais aussi de cellules, montrent que leur photo-stabilité et leur brillance permettent de les utiliser, par exemple, en imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis...) un ou deux photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) sur des temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de plusieurs heures (L'heure est une unité de mesure  :). Ces travaux ouvrent la voie vers des émetteurs de lumière sur-mesure, basés sur l'interaction de molécules organiques optiquement actives, stabilisées et agencées de façon contrôlée à l'échelle nanométrique.

Référence:
Confinement of dyes inside boron nitride nanotubes: photostable and shifted fluorescence down to the near infrared. Charlotte Allard ( Sens et origine du nom Alard, Allard ou Allart ou hallard pourrait être la transformation du germanique adalhard composé de adal signifiant noble, et hard...), Léonard Schué, Frédéric Fossard, Gaëlle Recher, Rafaella Nascimento, Emmanuel Flahaut, Annick Loiseau, Patrick Desjardins, Richard Martel et Étienne Gaufrès, Advanced Materials, le 2 juin 2020.
DOI: 10.1002/adma.202001429.
Article disponible sur la base d'archives ouvertes HAL.

Contacts:
- Etienne Gaufrès - Chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public...), Laboratoire photonique, numérique, nanosciences - etienne.gaufres at u-bordeaux.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine...) INP - inp.com at cnrs.fr
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