Graphene quantum dots:Den næste store lille ting

Et laboratorium på Rice University har fundet en måde at omdanne almindelige kulfiber til grafenkvantepunkter, små stumper af stof med egenskaber, der forventes at vise sig nyttige i elektronisk, optiske og biomedicinske anvendelser.

Rice lab af materialeforsker Pulickel Ajayan, i samarbejde med kolleger i Kina, Indien, Japan og Texas Medical Center, opdaget en et-trins kemisk proces, der er markant enklere end etablerede teknikker til fremstilling af grafenkvantepunkter. Resultaterne blev offentliggjort online i denne måned i American Chemical Society's journal Nano bogstaver .

"Der har været flere forsøg på at lave grafenbaserede kvantepunkter med specifikke elektroniske og selvlysende egenskaber ved hjælp af kemisk nedbrydning eller e-stråle litografi af grafenlag, "sagde Ajayan, Rices Benjamin M. og Mary Greenwood Anderson Professor i maskinteknik og materialevidenskab og kemi. "Vi troede, at da disse nanodomæner af grafitiserede carbonatomer allerede findes i kulfiber, som er billige og masser, hvorfor ikke bruge dem som forløberen? "

Quantum prikker, opdaget i 1980'erne, er halvledere, der indeholder et størrelses- og formafhængigt båndgab. Disse har været lovende strukturer for applikationer, der spænder fra computere, Lysdioder, solceller og lasere til medicinsk billeddannelsesudstyr. De sub-5 nanometer kulstofbaserede kvantepunkter produceret i løs vægt gennem den våde kemiske proces, der blev opdaget ved ris, er meget opløselige, og deres størrelse kan styres via den temperatur, de er skabt til.

Risforskerne forsøgte endnu et eksperiment, da de stødte på teknikken. "Vi forsøgte selektivt at oxidere kulfiber, og vi fandt ud af, at det var virkelig svært, "sagde Wei Gao, en Ris -kandidatstuderende, der arbejdede på projektet med hovedforfatter Juan Peng, en gæstestuderende fra Nanjing University, der studerede i Ajayans laboratorium sidste år. "Vi endte med en løsning og besluttede at se på et par dråber med et transmissionselektronmikroskop."

De pletter, de så, var stykker af grafen eller, mere præcist, oxiderede nanodomæner af grafen ekstraheret ved kemisk behandling af kulfiber. "Det var en fuldstændig overraskelse, "Sagde Gao." Vi kalder dem kvanteprikker, men de er todimensionale, så det, vi virkelig har her, er grafenkvantumskiver. "Gao sagde, at andre teknikker er dyre og tager uger at lave små partier med grafenkvantepunkter." Vores udgangsmateriale er billigt, kommercielt tilgængelige kulfiber. I en et-trins behandling, vi får en stor mængde kvanteprikker. Jeg tror, ​​det er den største fordel ved vores arbejde, " hun sagde.

Yderligere eksperimentering afslørede interessante oplysninger:Størrelsen af ​​prikkerne, og dermed deres fotoluminescerende egenskaber, kunne kontrolleres ved behandling ved relativt lave temperaturer, fra 80 til 120 grader Celsius. "Ved 120, 100 og 80 grader, vi blev blå, grønne og gule lysende prikker, " hun sagde.

De fandt også, at prikkens kanter havde en tendens til at foretrække den form, der kaldes zigzag. Kanten af ​​et ark grafen-den enkelt-atom-tykke form af kulstof-bestemmer dets elektriske egenskaber, og zigzags er halvledende.

Deres selvlysende egenskaber giver grafen -kvantepunkter potentiale til billeddannelse, proteinanalyse, cellesporing og andre biomedicinske applikationer, Sagde Gao. Test ved Houstons MD Anderson Cancer Center og Baylor College of Medicine på to humane brystkræftlinjer viste, at prikkerne let fandt vej til cellernes cytoplasma og ikke forstyrrede deres spredning.

"De grønne kvanteprikker gav et meget godt image, "sagde medforfatter Rebeca Romero Aburto, en kandidatstuderende i Ajayan Lab, der også studerer på MD Anderson. "Fordelen ved grafenprikker frem for fluoroforer er, at deres fluorescens er mere stabil, og de ikke fotobleger. De mister ikke deres fluorescens lige så let. De har en dybdegrænse, så de kan være gode til in vitro og in vivo (smådyr) undersøgelser, men måske ikke optimalt for dybe væv hos mennesker.

"Men alt skal starte i laboratoriet, og disse kunne være en interessant tilgang til yderligere at undersøge for bioimaging, "Sagde Romero Alburto." I fremtiden vil disse grafenkvantumprikker kan have stor indvirkning, fordi de kan konjugeres med andre enheder til registrering af applikationer, også."