I materiali di conversione si riferiscono a sostanze o composti che hanno la capacità di convertire fotoni a energia inferiore (solitamente infrarossi o vicini) in fotoni a energia superiore (luce visibile o ultravioletta) attraverso un processo non ottico. Questo processo prevede l’assorbimento di due o più fotoni a bassa energia e l’emissione di un singolo fotone con energia maggiore. I materiali di upconversion sono spesso costituiti da ioni di terre rare drogati in materiali ospiti come cristalli o nanoparticelle, dove i livelli di energia e le transizioni elettroniche consentono un’efficiente conversione dei fotoni.
Il bypass superiore viene utilizzato per varie applicazioni in tutti i campi come l’ottica, la fotonica e le scienze biomediche. Nell’ottica e nella fotonica, i materiali di conversione vengono utilizzati per convertire la luce infrarossa in luce visibile, consentendo una maggiore sensibilità dei sistemi di imaging e rilevamento che operano nello spettro del vicino infrarosso. Nelle applicazioni biomediche, l’upconversion viene utilizzata per il bioimaging, dove consente una penetrazione più profonda nei tessuti e una ridotta autofluorescenza rispetto alle tradizionali tecniche di imaging a fluorescenza. L’upscaling trova impiego anche nel fotovoltaico per migliorare l’efficienza delle celle solari raccogliendo la luce infrarossa che i materiali convenzionali non possono assorbire.
I materiali utilizzati nell’upconversion dei fotoni includono tipicamente elementi delle terre rare come erbio (ER), itterbio (YB) e tulio (TM), drogati in matrici ospiti come ossido di ittrio (Y2O3), fluoruro di ittrio e sodio (Nayf4) o qualsiasi altro forme cristalline o nanoparticellari adatte. Questi materiali sono scelti per la loro capacità di assorbire più fotoni a bassa energia ed emettere in modo efficiente fotoni ad alta energia. La concentrazione del drogaggio, la struttura cristallina e la lunghezza d’onda di eccitazione sono parametri critici che influenzano l’efficienza di conversione positiva e le caratteristiche spettrali di questi materiali.
Up-conversion e down-conversion si riferiscono a processi in cui la frequenza (e quindi l’energia) dei fotoni viene aumentata (up-conversion) o diminuita (down-conversion). Nella conversione, i fotoni a bassa energia vengono assorbiti e combinati per emettere un singolo fotone con energia più elevata, solitamente nella gamma visibile o ultravioletta. Questo processo non è lineare e richiede livelli energetici e transizioni specifici nel materiale. Una conversione inferiore, d’altro canto, implica la conversione di fotoni a energia più elevata in prodotti a energia inferiore, spesso per applicazioni come materiali che cambiano la lunghezza d’onda nelle lampade fluorescenti o per convertire la luce ultravioletta in luce visibile nei materiali al fosforo.
Le nanoparticelle di upconversion per biosensori sono nanoparticelle integrate con materiali di upconversion, progettate specificamente per rilevare e analizzare biomolecole in campioni biologici. Queste nanoparticelle convertono la luce infrarossa o del vicino infrarosso, che penetra nei tessuti biologici in modo più efficace della luce visibile, in luce visibile che può essere facilmente rilevata e analizzata. L’upconversion delle nanoparticelle offre vantaggi come maggiore sensibilità, ridotto fondo di autofluorescenza e la capacità di eseguire rilevamenti multiplex utilizzando diverse lunghezze d’onda di emissione da un’unica fonte di eccitazione. Sono utilizzati in varie applicazioni di biorilevamento, tra cui il rilevamento di biomarcatori, il monitoraggio della somministrazione di farmaci e l’imaging molecolare negli organismi viventi.