Introduction aux propriétés optiques des nanoparticules

Les nanomatériaux présentent une variété de propriétés optiques inhabituelles et intéressantes qui peuvent différer considérablement des propriétés présentées par le même matériau massif. En contrôlant soigneusement la taille, la forme et la fonctionnalité de la surface des nanoparticules, un large éventail d'effets optiques peut être généré avec de nombreuses applications utiles. Une réponse optique dans un nanomatériau peut être créée par plusieurs mécanismes différents, en fonction de la taille, de la composition et de la disposition du nanomatériau, et chaque méthode peut apporter certains avantages en fonction de l'application cible. 

Ce module contient un bref résumé des différents mécanismes qui influencent les propriétés optiques des nanoparticules.

Diffusion, absorption et extinction

Lorsque la lumière tombe sur une nanoparticule, elle peut être diffusée ou absorbée (la somme de la diffusion et de l’absorption est appelée extinction). Les nanoparticules se trouvent dans un régime de taille où la fraction de lumière diffusée ou absorbée peut varier considérablement en fonction du diamètre des particules. Aux diamètres inférieurs à 20 nm, la quasi-totalité de l’extinction est due à l’absorption. Aux tailles supérieures à 100 nm, l’extinction est principalement due à la diffusion. En concevant une particule avec un diamètre plus grand ou plus petit, la quantité optimale de diffusion et d’absorption peut être obtenue. Un autre sous-produit de cette relation entre la taille et l’absorption/diffusion est que l’agrégation peut augmenter la taille effective d’une nanoparticule, entraînant une augmentation de la diffusion. C'est pourquoi les particules de silice de 20 nm de diamètre sont claires en solution, mais les remises en suspension de particules de silice séchées de 20 nm (agrégées) seront d'une couleur blanc laiteux.

Matériaux nanoplasmiques

Les structures nanométriques constituées de métaux tels que l'or, l'argent et l'aluminium peuvent prendre en charge des modes plasmoniques de surface dans lesquels les électrons libres du matériau résonnent naturellement à une fréquence qui dépend de la composition, de la taille et de la forme de la particule. Lorsque la longueur d’onde de la lumière incidente correspond à la fréquence d’oscillation, les particules peuvent fortement absorber ou diffuser la lumière, ce qui donne lieu à une particule fortement colorée. En ajustant la taille et la forme, la longueur d'onde de résonance maximale peut être décalée dans la région visible et infrarouge du spectre, permettant ainsi une large gamme d'accordabilité des couleurs. 

En plus des nanoparticules métalliques, il existe des exemples récents de nanoparticules d'oxyde métallique dopées avec d'autres atomes métalliques qui présentent des résonances plasmoniques fortes et accordables. En modifiant la taille des particules, le dopant et la concentration en dopant, des résonances plasmoniques dans le proche infrarouge (NIR) et l'infrarouge à courte longueur d'onde (SWIR) ont été fabriquées.

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Points quantiques

Les nanoparticules constituées de matériaux semi-conducteurs, souvent appelées points quantiques (QD), absorbent et émettent de la lumière à certaines longueurs d'onde qui dépendent fortement de la taille et de la forme des particules en raison des effets de confinement quantique. En modifiant la taille et la composition des points quantiques, leurs longueurs d'onde d'émission peuvent être ajustées depuis les régions UV du spectre jusqu'au proche infrarouge en passant par le visible. Par exemple, en réglant la taille des QD CdSe de 2 nm à 8 nm de diamètre, la longueur d'onde d'émission peut être décalée sur le spectre visible, les particules plus petites émettant dans le bleu et les particules plus grosses émettant de la lumière rouge. 

En tant que matériaux fluorescents, les points quantiques offrent un certain nombre d'avantages par rapport aux colorants fluorescents organiques : en plus de la possibilité d'ajuster facilement les propriétés optiques en faisant varier la taille des particules, les QD sont moins sujets au photoblanchiment sous un éclairage de haute intensité, offrent des rendements quantiques comparables ou supérieurs à ceux des colorants fluorescents organiques. colorants organiques, et peuvent être excités beaucoup plus loin de leur pic d'émission, ce qui leur confère un décalage de Stokes effectif important et permet plus de flexibilité dans l'imagerie ou dans le choix des sources d'excitation pour éviter l'autofluorescence dans les échantillons biologiques. 

Les QD sont utilisés dans diverses applications, notamment les photodétecteurs, les cellules solaires, les diodes électroluminescentes (DEL), les téléviseurs et l'imagerie médicale. Chez nanoComposix, nous utilisons les QD comme composants de particules multifonctionnelles, généralement pour le diagnostic et l'imagerie. Un exemple est une particule composite à points quantiques à noyau métallique utilisée dans les dispositifs de diagnostic à flux latéral. 

Silica-coated gold nanoparticle coated with quantum dots

Cristaux photoniques

Une autre méthode de génération de couleur consiste à organiser les nanoparticules en structures ordonnées, avec des éléments structurels de taille similaire à la longueur d'onde de la lumière. Ces structures peuvent refléter sélectivement certaines parties du spectre, produisant ainsi des films dont les réponses optiques peuvent être ajustées en sélectionnant la taille des particules qui les composent. 

Ce type de « couleur structurelle » a de nombreux exemples dans la nature, comme l’aspect bleu irisé d’une aile de papillon morpho, dû à des structures périodiques à l’échelle nanométrique qui réfléchissent uniquement les longueurs d’onde bleues de la lumière. La couleur structurelle donne lieu à l'irisation multicolore des pierres précieuses d'opale, qui sont constituées d'assemblages hautement ordonnés de particules de silice.

Nos nanoparticules hautement monodispersées peuvent être utilisées pour l’assemblage de cristaux colloïdaux où les particules séchées s’organiseront en un assemblage périodique capable de diffracter la lumière. Des assemblages de couleurs structurelles peuvent également être créés dynamiquement en solution à l'aide de particules magnétiquement sensibles, telles que les particules illustrées ci-dessous qui s'alignent en structures ordonnées en présence d'un champ magnétique.

 

Ressources supplémentaires

Littérature recommandée

  1. Willets, KA et Van Duyne, RP "Spectroscopie et détection de résonance plasmonique de surface localisée." Revue annuelle de chimie physique58, 267-297 (2007)
  2. Smith, A. M. et Nie, S. «Nanocristaux semi-conducteurs : structure, propriétés et ingénierie de la bande interdite." Comptes de recherche chimique43(2), 190-200 (2010).
  3. Zhao, Y., Xie, Z., Gu, H., Zhu, C. et Gu, Z. « Matériaux de couleur structurelle variable bio-inspirés. » Chemical Society Reviews41(8), 3297-3317 (2012).

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