Propriétés photophysiques et optiques non linéaires de l'encapsulation de carmin comparées aux solutions ioniques et à la polarité environnementale

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Propriétés optiques non linéaires Encapsulation Propriétés photophysiques Technique de Z-scan Laser

Étude des propriétés photophysiques et optiques non linéaires de l’encapsulation de carmine

Introduction contextuelle

Les matériaux à optique non linéaire (Nonlinear Optical, NLO) ont suscité une attention croissante ces dernières années dans des domaines tels que la technologie laser, la médecine et l’imagerie biomédicale. Ces matériaux, en raison de leurs propriétés optiques uniques comme les commutateurs optiques, les limites optiques et le traitement optique, sont d’une grande importance dans le domaine de la photonique. Les molécules de colorants organiques, grâce à la délocalisation de leurs électrons π, présentent des réponses optiques non linéaires significatives, ce qui en fait un sujet d’étude privilégié. Le carmine, un colorant naturel extrait d’insectes, est largement utilisé dans l’industrie alimentaire et dans le domaine artistique en raison de ses excellentes propriétés photophysiques et de sa stabilité. Cependant, son comportement photophysique et ses propriétés optiques non linéaires dans différents environnements n’ont pas encore été pleinement explorés.

Pour approfondir le potentiel du carmine dans le domaine de l’optique non linéaire, les chercheurs ont tenté d’améliorer ses performances par encapsulation en microémulsion. Cette technique permet d’envelopper les molécules de colorant dans des gouttelettes d’eau à l’échelle nanométrique, modifiant ainsi leur polarité et leurs propriétés optiques. L’étude examine également l’effet de divers additifs (comme le CTAB, NaCl et NaOH) sur les propriétés optiques du carmine, afin de fournir un support théorique pour le développement de nouveaux photosensibilisateurs et dispositifs optiques.

Source de recherche

Cet article a été co-rédigé par Tina Moharer Ahmadi et Soheil Sharifi, tous deux issus du département de physique de la faculté des sciences de l’université Ferdowsi de Mashhad, en Iran. L’article a été publié en 2025 dans la revue Optical and Quantum Electronics, avec le DOI : 10.1007/s11082-025-08053-y.

Détails de la recherche

a) Processus de recherche

1. Préparation des matériaux

Les chercheurs ont utilisé du carmine, de l’AOT (sulfosuccinate de sodium bis(2-éthylhexyle)), de l’éthanol, du CTAB (bromure de cétrimonium), du NaCl, du NaOH et de l’heptane normal fournis par Sigma-Aldrich pour préparer diverses solutions. Celles-ci incluent : - Solutions aqueuses : concentrations de carmine de 0,03 mM et 0,013 mM, avec différentes proportions d’éthanol (10 %-90 %) ainsi que différentes concentrations de NaCl, CTAB et NaOH. - Échantillons encapsulés (CR-Cap) : préparés en ajustant le rapport molaire eau/AOT (X=[H2O]/[AOT]) et la fraction massique des gouttelettes (Mf=(MH2O+MSur+MCr)/Mtotal), avec X=10, Mf=0,07 et une concentration de carmine de 0,013 mM.

2. Méthodes expérimentales

L’expérience a utilisé un instrument Z-scan pour mesurer le coefficient d’absorption non linéaire (β) et l’indice de réfraction non linéaire (n2) du carmine. Un laser continu d’une longueur d’onde de 532 nm et d’une puissance de 80 mW a été utilisé, avec une distance focale de 5,0 cm et un rayon de faisceau de 14 µm. Les échantillons ont été placés dans des cuves d’une épaisseur de 2 mm, et un moteur pas à pas a été utilisé pour contrôler la position du laser à travers les échantillons.

De plus, les chercheurs ont utilisé un spectrophotomètre UV-1650 PC et un spectrofluorimètre FP-6200 pour mesurer l’absorbance et la diffusion Rayleigh (RS) des échantillons. La distribution granulométrique des échantillons encapsulés a été déterminée à l’aide d’un analyseur de taille de particules Malvern.

3. Analyse des données

Les chercheurs ont utilisé la théorie des perturbations quantiques pour calculer les moments dipolaires à l’état fondamental et à l’état excité du carmine dans différentes solutions, et ont analysé les variations des spectres de fluorescence à l’aide de l’équation de Lippert-Mataga. De plus, ils ont calculé le rapport intégral relatif (RIR), c’est-à-dire le rapport entre l’intensité intégrée de la courbe de diffusion et la surface d’absorbance, afin de quantifier la relation entre la diffusion et l’absorption non linéaire.

b) Résultats principaux

1. Caractéristiques des échantillons encapsulés

La taille des particules des échantillons encapsulés (CR-Cap) est de 6,4 ± 1 nm, avec un PDI d’environ 0,5, indiquant une dispersion nanométrique uniforme. Le carmine étant soluble dans l’eau, il est ainsi encapsulé avec succès dans des nanogouttelettes d’eau contenues dans une phase continue d’heptane.

2. Propriétés photophysiques

  • Absorbance et bande interdite optique : Le carmine présente des pics d’absorption entre 300-400 nm (transition π→π) et 500-600 nm (transition n→π) dans les solutions aqueuses. La bande interdite optique (Optical Gap) est de 2,1 eV, et elle n’est pas affectée par la polarité du solvant ou les additifs.
  • Spectres de fluorescence : Le carmine montre des propriétés de fluorescence dans la plage de 320 à 550 nm, avec un pic principal qui se déplace vers le bleu lorsque la concentration d’éthanol augmente. Les spectres de fluorescence des échantillons encapsulés ont changé de manière significative, indiquant une modification de leur environnement moléculaire.

3. Propriétés optiques non linéaires

  • Coefficient d’absorption non linéaire (β) : La valeur β des échantillons encapsulés est de 44,6 × 10⁻⁵ cm/W, soit 9 fois plus élevée que celle des solutions aqueuses. La valeur β augmente avec la concentration d’éthanol, de NaOH et de CTAB, tandis qu’une augmentation de la concentration de NaCl entraîne une diminution de β.
  • Indice de réfraction non linéaire (n2) : La valeur n2 des échantillons encapsulés est de 12,6 × 10⁻⁹ m²/W, soit 4,4 fois plus élevée que celle des solutions aqueuses. Cela est attribué à la faible conductivité thermique de l’heptane (0,14 W·m⁻¹K⁻¹) et aux changements du moment dipolaire des molécules de carmine.

4. Relation entre la diffusion Rayleigh et l’absorption non linéaire

L’étude montre que les échantillons avec une faible diffusion Rayleigh ont généralement un coefficient d’absorption non linéaire plus bas. Les échantillons encapsulés, en raison de la réduction de la polarité et de l’agrégation moléculaire, présentent des valeurs β plus élevées et une diffusion Rayleigh plus forte.

c) Conclusion et signification

Cette étude met en lumière l’effet significatif de la technique d’encapsulation sur l’amélioration des propriétés optiques non linéaires du carmine. Les coefficients d’absorption non linéaire et d’indice de réfraction non linéaire des échantillons encapsulés ont augmenté respectivement de 9 fois et 4,4 fois, principalement en raison de l’augmentation du moment dipolaire moléculaire et de la réduction de la conductivité thermique. De plus, une corrélation a été trouvée entre la diffusion Rayleigh et l’absorption non linéaire, offrant de nouvelles perspectives pour optimiser la conception des matériaux.

La valeur scientifique de cette recherche réside dans une compréhension approfondie du comportement photophysique du carmine dans différents environnements et de ses mécanismes optiques non linéaires. Sa valeur applicative se traduit par l’utilisation potentielle des échantillons encapsulés comme photosensibilisateurs en thérapie photodynamique (PDT) ou dans le développement de capteurs optiques, modulateurs et commutateurs.

d) Points forts de la recherche

  1. Découverte importante : La technique d’encapsulation améliore considérablement la réponse optique non linéaire du carmine, ouvrant de nouvelles voies pour son application dans le domaine de la photonique.
  2. Problème résolu : En ajustant la polarité du solvant et la concentration des additifs, les chercheurs ont résolu le problème des performances optiques non linéaires insuffisantes du carmine dans les solutions traditionnelles.
  3. Innovation méthodologique : Combinaison de la technique Z-scan et de la théorie des perturbations quantiques pour étudier systématiquement les changements des moments dipolaires à l’état fondamental et à l’état excité.
  4. Spécificité : Première encapsulation du carmine dans une microémulsion, montrant ses excellentes propriétés optiques dans un environnement de faible polarité.

e) Autres informations précieuses

L’étude explore également les changements de couleur du carmine dans différentes conditions de pH, offrant des références pour le développement de matériaux optiques sensibles au pH. De plus, la stabilité et l’uniformité des échantillons encapsulés posent les bases pour une production industrielle.

Conclusion

Cet article, à travers une étude systématique des propriétés photophysiques et optiques non linéaires des échantillons encapsulés de carmine, révèle le grand potentiel de la technique d’encapsulation pour améliorer les performances des matériaux. Les résultats enrichissent la théorie fondamentale des matériaux à optique non linéaire et fournissent des orientations importantes pour le développement de nouveaux photosensibilisateurs et dispositifs optiques.