Aan de UvA is een modelsysteem ontwikkeld dat voor het eerst goed laat zien hoe je fotonen ‘opwaardeert’ naar een hogere frequentie. Dat maakt dit proces veel beter beheersbaar, schrijven Hong Zhang, Evert Jan Meijer en collega’s in Angewandte Chemie.

Voor die opwaardering of upconversion doteer je een materiaal (hier NaYF₄) met sporen van verschillende ionen: sensitizers die zich laten exciteren door laagenergetische fotonen, en een kleiner aantal activators die hoogenergetische fotonen kunnen uitzenden zodra zich er voldoende energie in heeft opgehoopt. De sensitizers geven hun energie aan de activators door via tussenliggende migrator-ionen.

Gewoonlijk zijn al die ionen lanthanides: in Amsterdam gebruikten ze neodymium als sensitizer, ytterbium als migrator en erbium als activator.

Normaal gesproken zitten al die ionen door elkaar in dezelfde NaYF₄-matrix. Maarmet hulp van Chinese collega’s hebben ze in Amsterdam nu nanodeeltjes gemaakt die ze DISS noemen, wat staat voor dopant ions spatially separated. Hierin zijn de ionen verdeeld over aparte schillen: ytterbium zit overal maar al het erbium zit in de kern (diameter 25 nm) en al het niobium in de buitenste, 3 nm dikke schil. Er zit een schil van 2,8 nm tussen die alleen ytterbium bevat.

Op die manier is te meten hoe snel de sensitizers hun energie overdragen op de activators. Daartoe is een proefopzet ontworpen die de DISS-deeltjes bestookt met twee verschillende pulserende lasers: een van 800 nm die alleen neodymium exciteert zodat ytterbium zijn rol als migrator moet waarmaken, en een van 960 nm waarmee je dat ytterbium zélf aanslaat.

Het blijkt dat je de felste emissies krijgt als de 960 nm-puls 200 milliseconden na de 800 nm-puls komt. Beide energiedoses bereiken dan tegelijkertijd de kern. Daar kun je uit afleiden dat het ytterbium 200 milliseconden nodig heeft om energie van de buitenste schil naar de kern te transporteren. Tot nu toe werd vaak aangenomen dat die vertragingstijd verwaarloosbaar was, maar dat is ze dus zeker niet.

Het doet tevens vermoeden dat de energie niet de kortste route volgt maar omwegen maakt en dus vaker van ytterbium naar ytterbium moet overspringen dan je zou verwachten.

Als je dat eenmaal weet, kun je je nanostructuren zo gaan ontwerpen dat de vertraging voorspelbaar wordt, en daar wellicht nuttig gebruik van maken.

bron: UvA, Angewandte Chemie.