Defectele optic active sporesc nanotuburile de carbon

Proprietățile optice ale nanotuburilor de carbon, care constau dintr-o rețea hexagonală înfășurată de atomi de carbon sp2, pot fi îmbunătățite prin defecte. O nouă cale de reacție permite crearea selectivă a defectelor sp3 optic active. Acestea pot emite fotoni individuali în infraroșu apropiat chiar și la temperatura camerei. Credit: Simon Settele (Heidelberg)

Oamenii de știință din Heidelberg reușesc să controleze defectele cu o nouă cale de reacție.

Proprietățile nanomaterialelor pe bază de carbon pot fi modificate și proiectate prin introducerea deliberată a anumitor „imperfecțiuni” sau defecte structurale. Cu toate acestea, provocarea este de a controla numărul și tipul acestor defecte. În cazul nanotuburilor de carbon, compușii tubulari mici microscopici care emit lumină aproape în infraroșu, chimiștii și oamenii de știință din domeniul materialelor de la Universitatea din Heidelberg conduși de profesorul Jana Zaumseil au demonstrat acum o nouă cale de reacție pentru a permite acest control al defectelor. Se traduce prin defecte specifice optic active (așa-numitele defecte sp3) care sunt mai luminescente și pot emite fotoni individuali, adică particule de lumină. Emisia eficientă de lumină în infraroșu apropiat este importantă pentru aplicațiile de telecomunicații și imagistică biologică.

Defectele sunt de obicei considerate ceva „rău” care afectează negativ proprietățile unui material, făcându-l mai puțin perfect. Cu toate acestea, în anumite nanomateriale, cum ar fi nanotuburile de carbon, aceste „imperfecțiuni” pot avea ca rezultat „bune” și permit noi funcționalități. Aici, tipul precis de defecte este crucial. Nanotuburile de carbon constau din foi laminate dintr-o rețea hexagonală de atomi de carbon sp2, deoarece sunt produse și în benzen. Aceste tuburi goale au un diametru de aproximativ un nanometru și au o lungime de până la câțiva micrometri.

Prin anumite reacții chimice, unii atomi de carbon sp2 din rețea pot fi convertiți în carbon sp3, care se găsește și în metan sau diamant. Acest lucru schimbă structura electronică locală a nanotubului de carbon și are ca rezultat un defect optic activ. Aceste defecte sp3 emit chiar mai multă lumină în infraroșul apropiat și sunt în general mai luminescente decât nanotuburile care nu au fost funcționalizate. Datorită geometriei nanotuburilor de carbon, poziția precisă a atomilor de carbon sp3 introduși determină proprietățile optice ale defectelor. „Din păcate, până acum a existat un control foarte mic asupra defectelor care se formează”, spune Jana Zaumseil, profesor la Institutul de Chimie Fizică și membru al Centrului pentru Materiale Avansate de la Universitatea din Heidelberg.

Oamenii de știință din Heidelberg și echipa ei au demonstrat recent o nouă cale de reacție chimică care permite controlul defectelor și crearea selectivă a unui singur tip specific de defect sp3. Aceste defecte optic active sunt „mai bune” decât oricare dintre „imperfecțiunile” introduse mai sus. Profesorul Zaumseil explică faptul că acestea nu sunt doar mai luminescente, dar prezintă și emisii ale unui singur foton la temperatura camerei. În acest proces, doar un foton este emis la un moment dat, ceea ce este o condiție prealabilă pentru criptografie cuantică și telecomunicații extrem de sigure.

Potrivit lui Simon Settele, doctorand în grupul de cercetare al profesorului Zaumseil și primul autor al lucrării care raportează aceste rezultate, această nouă metodă de funcționalizare – un adaos nucleofil – este foarte simplă și nu necesită niciun echipament special. „Abia începem să explorăm posibile aplicații. Multe aspecte chimice și fotofizice sunt încă necunoscute. Cu toate acestea, scopul este de a crea defecte și mai bune. “

Această cercetare face parte din proiectul „Trions and sp3-Defects in Single-walled Carbon Nanotubes for Optoelectronics” (TRIFECTs), condus de profesorul Zaumseil și finanțat de un grant de consolidare ERC de la European Research Council (ERC). Scopul său este să înțeleagă și să proiecteze proprietățile optice și electronice ale defectelor nanotuburilor de carbon.

„Diferențele chimice dintre aceste defecte sunt subtile și configurația dorită de legare se formează de obicei doar într-o minoritate de nanotuburi. Posibilitatea de a produce un număr mare de nanotuburi cu un defect specific și cu densități de defecte controlate deschide calea pentru dispozitivele optoelectronice, precum și pentru sursele cu foton unic pompat electric, care sunt necesare pentru viitoarele aplicații în criptografie cuantică.

Oamenii de știință de la Universitatea Ludwig Maximilian din München și Centrul pentru Știință și Tehnologie Cuantică din München au participat, de asemenea, la această cercetare. Rezultatele au fost publicate în jurnal Comunicări despre natură.

Referință: „Control sintetic asupra configurației joncțiunii luminescente sp3-defects in single-wall carbon nanotubes ”de Simon Settele, Felix J. Berger, Sebastian Lindenthal, Shen Zhao, Abdurrahman Ali El Yumin, Nicolas F. Zorn, Andika Asyuda, Michael Zharnikov, Alexander Högele i, Jana Zaumseil, 9 d ‘ Aprilie 2021, Comunicări despre natură.
DOI: 10.1038 / s41467-021-22307-9

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.