Des nanotubes ultracourts et ultra-lumineux pour explorer les tissus en profondeur

Obtenir des nano-émetteurs très lumineux dans le proche infrarouge est un enjeu majeur pour diverses applications allant de l’imagerie biologique à l’optique quantique. Des chercheuses et chercheurs de trois laboratoires du CNRS à Bordeaux, en collaboration avec l’Université de Heidelberg et l’Institut de technologie de Karlsruhe, viennent de franchir une étape importante en réalisant des nanotubes de carbone ultracourts, dotés de centres colorés luminescents qui conservent une photoluminescence étonnamment intense dans la fenêtre infrarouge entre 1000 et 1350 nm (fenêtre NIR-II), où les tissus biologiques sont les plus transparents. Ces travaux ont fait l’objet d’une publication dans la revue ACS Nano.

Ces recherches ont été menées dans les laboratoires CNRS suivants :

• Laboratoire Photonique Numérique&Nanosciences (LP2N, CNRS/Institut d'Optique Graduate School/Université de Bordeaux)
• Institut Interdisciplinaire de Neurosciences (IINS, CNRS/Université de Bordeaux)
• Institut des Maladies Neurodégénératives (IMN, CNRS/Université de Bordeaux)

Dans leur version longue, certains nanotubes de carbone sont déjà utilisés comme émetteurs infrarouges grâce à leur stabilité et à leur rendement de luminescence. Mais lorsqu’on réduit leur longueur en dessous de 100 nm, la photoluminescence chute drastiquement. L’équipe a contourné ce problème en introduisant de manière contrôlée des défauts sur les parois des nanotubes, qui concentrent l’émission lumineuse à des emplacements précis et empêchent son extinction prématurée.

Ils ont ainsi obtenu des tubes de seulement 50 nanomètres qui se révèlent étonnamment lumineux. Leur brillance dépasse celle de nombreux nano-émetteurs visibles comme les boîtes quantiques (quantum dots en anglais, QDs), tout en offrant une meilleure stabilité et une compatibilité naturelle avec les milieux biologiques. Pour la première fois, des objets de cette taille atteignent la luminosité attendue pour des nanotubes idéaux, une observation jamais réalisée auparavant.

Les chercheuses et chercheurs ont démontré l’utilité de ces nanotubes en les injectant dans des tranches de cerveau de souris. Leur luminosité permet un suivi précis, en 3D, du déplacement des particules individuelles jusqu’à 100 μm de profondeur, bien davantage que les boîtes quantiques (cf. illustration).

Ces résultats ouvrent donc la voie à une nouvelle génération de sondes infrarouges pour l’imagerie biologique à haute résolution, en particulier dans des tissus épais où peu d’émetteurs restent détectables. Mais leur impact dépasse largement ce domaine : ces nanotubes ultracourts pourraient aussi jouer un rôle clé dans le développement de sources photoniques quantiques, ou comme émetteurs ultra-brillants pour les longueurs d’onde télécom, très recherchés dans les technologies d’information quantique.