Den elektroniske oprindelse af fluorescens i carbon nanorør

Teknologiske fremskridt er ofte drevet af materialevidenskab. Højteknologiske enheder kræver "smarte" materialer, der kombinerer en række egenskaber. Et imponerende aktuelt eksempel er carbon nanorør (CNT'er) - enkelte plader af carbonatomer rullet ind i en cylinder. Disse ultratynde rør har enorm mekanisk styrke og elektrisk ledningsevne. De udsender også infrarødt fluorescerende lys, gør dem sporbare. Dette gør dem til spændende materialer til fremtidens bio-billedteknologi, men mekanismen har vist sig overraskende undvigende.

Frekvensen af ​​infrarødt lys, der udsendes af CNT'er, ændres, når organiske molekyler er knyttet til ydersiden af ​​rørene. Dette giver en måde at "tune" fluorescensen afhængigt af det krævede formål. Imidlertid, oprindelsen af ​​frekvensskiftet er svær at undersøge, fordi kun få molekyler faktisk er placeret på rørene. Standardmetoder har derfor svært ved at lokalisere dem - en opgave af nål-i-høstak.

Nu, en trio af forskere ved Japans Kyushu Universitet har gjort fremskridt med at forstå disse frekvensskift på atomniveau. I en undersøgelse offentliggjort i Nanoskala , de rapporterer ved hjælp af teknikken til spektroelektrokemi-anvendelse af et elektrisk potentiale ("elektro") på et fluorescerende materiale, og måling af den resulterende emission af lys ("spektro"). Brugen af ​​elektricitet afslører elektronenerginiveauerne i CNT'erne - dvs. orbitaler omkring atomer. Dette er afgørende, fordi fluorescens består af "ophidsede" elektroner, der bevæger sig fra et kredsløb til et andet, derefter frigive energi i form af lys.

"Hyppigheden af ​​fluorescens fra CNT'er afhænger af hullerne mellem elektronenerginiveauer, " forklarer hovedforfatterne. "Disse huller afhænger igen af, hvilke elementer der er bundet til nanorørets ydre. For eksempel, vi fandt ud af, at molekyler indeholdende brom skubbede energiniveauerne tættere sammen sammenlignet med molekyler med brint i samme position."

Dette indsnævrer kløften - for det meste ved at hæve den højest besatte orbital, bringe det tættere på de tomme orbitaler over det - og resulterer i fluorescens med en lavere frekvens.

De målte ændringer i elektroniske tilstande var i overensstemmelse med de fluorescerende skift. Dette bekræftede, at elektronenerginiveauerne var nøglen til frekvensjustering, giver forskerne mulighed for at udelukke en alternativ forklaring baseret på stabiliteten af ​​exciterede elektroner. Det ser ud til, at effekten hovedsageligt er forårsaget af det elektriske felt, eller dipol, der dannes, når molekyler bindes til CNT'erne. Dette felt, på tur, afhænger af disse molekylers evne til at trække elektroner væk fra kulstoffet i nanorørene.

"Fluorescerende CNT'er kan spille en stor rolle i biomedicin, " siger forfatterne. "Vores undersøgelsesmetode, baseret på elektrokemi, vil give forskere mulighed for at forstå fluorescerende materialer i fuld elektronisk detalje. I den nærmeste fremtid, dette vil åbne vejen for finjustering af CNT'er, med hensyn til både optisk frekvens og lysstyrke, ved omhyggeligt rettet kemisk dekoration."

Artiklen, "Substituentvirkninger på redoxtilstandene af lokalt funktionaliserede enkeltvæggede kulstofnanorør afsløret af in situ fotoluminescensspektroelektrokemi, " blev offentliggjort i Nanoskala .