Kul giver masser af grafen kvanteprikker

Udsigten til at omdanne kul til fluorescerende partikler lyder måske for godt til at være sandt, men muligheden er der takket være forskere ved Rice University.

Kemikeren James Tours Rice lab fandt simple metoder til at reducere tre slags kul til grafen kvanteprikker (GQD'er), mikroskopiske skiver af atomtyk grafenoxid, der kunne bruges til medicinsk billeddannelse såvel som sansning, elektroniske og fotovoltaiske applikationer.

Fundet blev rapporteret i dag i bladet Naturkommunikation .

Båndgab bestemmer, hvordan et halvledende materiale bærer en elektrisk strøm. I kvanteprikker, båndgab er ansvarlige for deres fluorescens og kan justeres ved at ændre prikkernes størrelse. Processen fra Tour og selskab tillader en vis kontrol over deres størrelse, generelt fra 2 til 20 nanometer, afhængig af kulkilden.

Der er mange måder at lave GQD'er på nu, men de fleste er dyre og producerer meget små mængder, sagde Tour. Selvom et andet rislaboratorium sidste år fandt en måde at fremstille GQD'er af relativt billige kulfiber, kul lover større mængder af GQD'er gjort endnu billigere i et kemisk trin, han sagde.

"Vi ville se, hvad der er i kul, der kunne være interessant, så vi satte det igennem en meget simpel oxidationsprocedure, Tour forklarede. Det involverede at knuse kullet og bade det i sure opløsninger for at bryde bindingerne, der holder de små grafendomæner sammen.

"Du kan ikke bare tage et stykke grafen og nemt hakke det så småt, " han sagde.

Turen var afhængig af Rice-kemikerens og medforfatteren Angel Martí's laboratorium for at hjælpe med at karakterisere produktet. Det viste sig, at forskellige typer kul producerede forskellige typer prikker. GQD'er blev afledt af bituminøst kul, antracit og koks, et biprodukt af olieraffinering.

Kullene blev hver sonikeret i salpetersyre og svovlsyre og opvarmet i 24 timer. Bituminøst kul producerede GQD'er mellem 2 og 4 nanometer brede. Koks producerede GQD'er mellem 4 og 8 nanometer, og antracitfremstillede stablede strukturer fra 18 til 40 nanometer, med små runde lag ovenpå større, tyndere lag. (Bare for at se, hvad der ville ske, forskerne behandlede grafitflager med samme proces og fik for det meste mindre grafitflager.)

Tour sagde, at prikkerne er vandopløselige, og tidlige test har vist, at de er ugiftige. Det giver løftet om, at GQD'er kan tjene som effektive antioxidanter, han sagde.

Medicinsk billeddannelse kan også have stor gavn, da prikkerne viser robust ydeevne som fluorescerende midler.

"Et af problemerne med standardprober i fluorescerende spektroskopi er, at når du indlæser dem i en celle og rammer dem med kraftige lasere, du ser dem i en brøkdel af et sekund til op til et par sekunder, og det er det, " sagde Martí. "De er der stadig, men de er blevet fotobleget. De fluorescerer ikke længere."

Test i Martí-laboratoriet viste, at GQD'er modstår blegning. Efter timers spænding, Martí sagde, den fotoluminescerende respons af de kul-sourcede GQD'er blev knap påvirket.

Det kunne gøre dem velegnede til brug i levende organismer. "Fordi de er så stabile, de kunne teoretisk gøre billeddannelse mere effektiv, " han sagde.

En lille ændring i størrelsen af ​​en kvanteprik - så lidt som en brøkdel af en nanometer - ændrer dens fluorescerende bølgelængder med en målbar faktor, og det viste sig at være sandt for de kuldrevne GQD'er, sagde Martí.

Lave omkostninger vil også være uafgjort, ifølge Tour. "Grafit er $2, 000 pr. ton for det bedste der er, fra Storbritannien, " sagde han. "Billigere grafit er $800 pr. ton fra Kina. Og kul er $10 til $60 pr. ton.

"Kul er det billigste materiale, du kan få til at producere GQD'er, og vi fandt ud af, at vi kan få et udbytte på 20 procent. Så denne opdagelse kan virkelig ændre quantum dot-industrien. Det kommer til at vise verden, at inde i kul er disse meget interessante strukturer, der har reel værdi."