Nanoparticelle di silicio come antenne molecolari luminescenti

Antenne molecolari basate su nanoparticelle di silicio che potrebbero essere utilizzate per l'imaging ottico, un equivalente della risonanza magnetica in cui si usa la luce per indagare il sistema biologico di interesse. È il risultato di una ricerca finanziata dal progetto europeo ERC StG “Ideas” (PhotoSi), di cui è responsabile la professoressa Paola Ceroni del Dipartimento di Chimica “Giacomo Ciamician” dell’Università di Bologna. La ricerca, da poco pubblicata sulla rivista Chem, è stata realizzata in collaborazione con la professoressa Unibo Fabrizia Negri e insieme a tre gruppi internazionali: University of Texas, University of Pennsilvanya e Peking University.

Il silicio è un semiconduttore ampiamente usato nella vita di tutti i giorni come componente primario dei circuiti elettronici e dei pannelli fotovoltaici. Ha ottime proprietà elettriche, ma le sue proprietà ottiche sono scarse. Non a caso, per assicurare un elevato assorbimento della luce solare nelle celle fotovoltaiche è necessario usarne uno strato abbastanza spesso. Inoltre, il silicio non è luminescente, cioè non è in grado di emettere luce, come avviene per esempio con i LED.

Queste proprietà ottiche del silicio, però, cambiano drasticamente quando si passa da un livello macroscopico a nanocristalli delle dimensioni di pochi nanometri (2-10 nm, ovvero 2-10 miliardesimi di millimetro). I nanocristalli di silicio sono altamente luminescenti e il colore della luminescenza cambia al variare delle dimensioni. Per esempio, nanocristalli delle dimensioni di 3 nm emettono nel rosso, mentre quelli di 5 nm emettono ad energia più bassa nella regione del vicino infrarosso.

Nonostante tutto questo, anche nella forma di nanocristalli il silicio non è in grado di assorbire la luce in maniera efficiente. Per risolvere questo problema il gruppo di ricerca ha quindi pensato di costruire antenne molecolari. Non solo: utilizzando coloranti organici, gli studiosi sono riusciti a provocare l’emissione della nanoparticella di silicio non solo per irradiazione con luce blu, ma anche con irradiazione nel vicino infrarosso tramite laser al femtosecondo, sfruttando processi di ottica non lineare.

Il risultato raggiunto apre la possibilità di esplorare l’utilizzo di queste nanostrutture per l'imaging ottico, un equivalente della risonanza magnetica in cui si usa la luce per indagare il sistema biologico di interesse. La possibilità di eccitare con luce laser nel vicino infrarosso permette una maggior risoluzione e una maggior penetrazione attraverso i tessuti rispetto all'indagine con luce visibile o ultravioletta. Nel sistema studiato, inoltre, queste proprietà si abbinano all'emissione del silicio caratterizzata da tempi di vita lunghi: accendendo la luce di irradiazione per un breve impulso è possibile continuare a vedere la luce emessa per un tempo lungo. L’accoppiamento di queste proprietà fornisce molti vantaggi in termini di risoluzione e contrasto delle immagini ottenute.