Исследователи используют нетоксичные кремниевые нанокристаллы для преобразования низкоэнергетических фотонов в высокоэнергетические, приближаясь к разработке фотодинамических методов лечения рака.
Ученые-материаловеды из Университета Калифорнии, Риверсайда и Университета Техаса в Остине продемонстрировали, что можно достичь преобразования с повышением фотона, излучением света с энергией выше, чем то, которое возбуждает материал, при использовании тщательно разработанных структур, содержащих нанокристаллы кремния и специализированные органические молекулы.
Это достижение, опубликованное в журнале Nature Chemistry, приближает ученых к разработке малоинвазивных фотодинамических методов лечения рака. Прогресс также может ускорить новые технологии для преобразования солнечной энергии, квантовой информации и фотокатализа в ближней инфракрасной области спектра.
Свет высокой энергии, такой как ультрафиолетовый лазер, может образовывать свободные радикалы, способные атаковать раковые ткани. Однако ультрафиолетовое излучение не распространяется достаточно далеко в ткани, чтобы генерировать терапевтические радикалы вблизи места опухоли. С другой стороны, ближний инфракрасный свет проникает глубоко, но у него недостаточно энергии для генерации радикалов.
Хотя конверсия фотонов может преодолеть это ограничение, конвертированные материалы имеют низкую эффективность или основаны на токсичных материалах. Кремний хорошо известен тем, что он нетоксичен, но до сих пор исследователи не смогли продемонстрировать, что нанокристаллы кремния могут преобразовывать фотоны, оставляя это многообещающее лечение рака недосягаемым.
Группа во главе с доктором наук в области материаловедения Калифорнийского университета в Риверсайде Пан Ся активно исследует эту проблему, тщательно изучив химию поверхности нанокристаллов кремния. Группа научилась прикреплять лиганды, которые помогают связывать молекулы вместе, с наночастицами, которые специально предназначены для передачи энергии от нанокристаллов к окружающим молекулам.
Затем команда направила лазерный свет в раствор. Они обнаружили, что нанокристаллы кремния с соответствующими поверхностными лигандами могут быстро передавать энергию в триплетное состояние окружающих молекул. Процесс, называемый триплетным синтезом, затем преобразует низкоэнергетическое возбуждение в высокоэнергетическое, что приводит к излучению фотона с более короткой длиной волны или более высокой энергии, чем та, которая первоначально была поглощена наночастицей.
Пан Ся комментирует:
Мы функционализировали кремниевые нанокристаллы антраценом. Затем мы возбудили нанокристаллы кремния и обнаружили, что энергия эффективно передается из нанокристалла через молекулы антрацена в раствор дифенилантрацена.
Это означает, что мы получили свет с более высокой энергией.
Открытие также может привести к улучшению фотокатализа, который использует свет для управления химическими реакциями.
Экологически устойчивый кремний-центрированный подход также актуален для квантовой информатики и синглетных солнечных батарей, управляемых делением.
Статья «Достижение спин-триплетного переноса экситонов между кремнием и молекулярными акцепторами для конверсии фотонов с повышением частоты» была опубликована 2 декабря в журнале Nature Chemistry. Её авторами также являются Эмили К. Раулерсон, Девин Коулман и Картер С. Герке.
Финансирование исследований обеспечивалось Национальным научным фондом, Фондом Роберта А. Уэлча, Исследовательской корпорацией по развитию науки, Управлением научных исследований ВВС и Министерством энергетики.