Kemikere får et kig på ny fluorescens i kulstofnanorør

At kulstofnanorør fluorescerer er ikke længere en overraskelse. At finde et andet niveau af fluorescens er overraskende og potentielt nyttigt.

Hvordan virker det? Vente på det.

Rice University lab af Bruce Weisman, en professor i kemi, der ledede den banebrydende opdagelse af nanorørs fluorescens i 2002, fundet, at enkeltvæggede nanorør udsender en forsinket sekundær fluorescens, når de udløses af en flertrinsproces i en opløsning med farvestofmolekyler og opløst oxygen.

Forsinkelsen er kun mikrosekunder, men det er nok til at blive opdaget med en vis indsats.

Den komplekse proces er detaljeret beskrevet af Weisman, hovedforfatter og risalumne Ching-Wei Lin, og forsker Sergei Bachilo i Journal of the American Chemical Society .

Reaktionen begynder, når lys exciterer en opløsning, der indeholder et farvestof kaldet rose bengal. Iltmolekyler opløst i opløsningen fanger energi fra farvestoffet, danner en energifyldt form af O2. Disse overfører derefter deres energi til nanorør, hvor excitoner - kvasipartikler lavet af elektroner og elektronhuller - genereres i deres triplettilstand. Med lidt ekstra termisk energi, disse excitoner bliver forfremmet til en singlet-tilstand med højere energi, der udsender den observerede fluorescens.

"I en årrække vi har set på interessante effekter, der involverer nanorør og ilt, " sagde Weisman. "Vi har fundet en hel række ting, der kan ske, fra fysiske effekter som denne energioverførsel eller den reversible standsning af fluorescens, til udløsning af kemiske reaktioner mellem nanorør og DNA. Så denne undersøgelse var en del af et større udforskningsprogram."

Deres evne til at excitere opløste iltmolekyler fik forskerne til at se, hvordan det ville påvirke tilstødende nanorør, sagde Weisman.

"Vi laver singlet oxygen ved at excitere et farvestofmolekyle med synligt lys, og så deaktiverer ilten farvestoffet og bliver selv ophidset, " sagde han. "Den idé går årtier tilbage i fotofysik og er meget konventionel. Hvad der er usædvanligt her er, at singlet-ilten interagerer med nanorøret for direkte at lave triplet-state excitationer i røret. Disse tripletstater har været ret uhåndgribelige.

"Triplettilstande af organiske molekyler er de længstlevende exciterede tilstande, " sagde Weisman. "Deres levetid er størrelsesordener større end de singlet-exciterede tilstande, så de kan hænge længe nok til at støde ind i noget andet og gennemgå kemiske reaktioner.

"Men fordi nanorør-triplettilstande ikke udsender lys eller direkte absorberer lys særlig godt, de er vanskelige at studere, og man ved ikke for meget om dem, " sagde han. "Det, vi har gjort, er at prøve at forstå dem lidt bedre."

At udløse fluorescens krævede stadig et ekstra trin. "Bare ved tilfældig termisk agitation i deres omgivelser, disse fyre kan nogle gange blive sparket op til den lyse singlet-tilstand, og så kan de fortælle dig, at de er der ved at spytte en foton ud, " sagde Weisman.

Fordi triplettilstanden kan vare 10 mikrosekunder eller deromkring, at opkonverteret emission kaldes forsinket fluorescens.

Forskerne måtte finde en måde at opdage den relativt svage effekt midt i nanorørets lyse primære fluorescens. "Det var som at prøve at se et svagt objekt lige efter at være blevet blændet af en lys kamerablitz, " sagde Weisman. "Vi var nødt til at udtænke noget særligt instrumentering."

En enhed "er dybest set en hurtig mekanisk lukker", der dækker det kortbølgede infrarøde (SWIR) spektrometer under den lyse flash og derefter hurtigt åbner op, en slags bakkamera, der går fra tildækket til åben på syv mikrosekunder. Den anden enhed, han sagde, er en følsom detektor, der udløses med et elektronisk signal og måler, hvordan den svage emission forsvinder over tid. "Disse systemer blev begge bygget af Ching-Wei, som er en fantastisk eksperimentalist, " han sagde.

Weisman og kolleger har brugt nanorørsfluorescens i medicinske billedteknologier og i nanorør-baseret smart hud til at måle belastning i overflader, blandt andre applikationer. Han sagde, at den nye opdagelse i sidste ende kunne finde vej til optoelektronik og solenergi.

"Der er ikke et direkte skridt, hvor nogen vil læse dette og lave en ny, mere effektiv enhed, " sagde Weisman. "Men denne grundlæggende viden om processer og egenskaber er grundlaget, som nye teknologier bygges på."