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

Grâce à leur interaction 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 artistiques et les teintures. Ces molécules sont cependant fragiles car elles réagissent avec les espèces oxydantes naturellement présentes dans l’air et dans l’eau, ce qui mène à une extinction irréversible de leur activité optique. 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. Pour pallier ces problèmes, des chercheurs et des chercheuses du Laboratoire d’étude des microstructures (LEM, CNRS/ONERA), du Laboratoire photonique, numérique, nanosciences (LP2N, CNRS/Université de Bordeaux/IOGS), de Polytechnique Montréal et de l’Université de Montréal (Canada) sont parvenus à insérer des colorants organiques dans des nanotubes de nitrure de bore (BNNT). Cette encapsulation protège efficacement les colorants organiques de l’environnement 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 moyen compris entre 0,8 et 3 nanomètres et sont de proches parents des nanotubes de carbone (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 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 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 un ou deux photons sur des temps de plusieurs heures. 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.