Indstilling af bølgelængden af ​​fluorescerende kulstofrør

Kulstof er ikke kun det vigtigste element for livet, den har også sine egne fascinerende egenskaber. Grafen - en ren kulstofplade på kun et atom tyk - er et af de stærkeste materialer. Rul grafen til en cylinder, og du får carbon nanorør (CNT'er), nøglen til mange nye teknologier.

Nu, i en undersøgelse rapporteret i Kemisk kommunikation , forskere ved Japans Kyushu -universitet lærte at kontrollere fluorescensen af ​​CNT'er, potentielt tillader nye applikationer.

CNT'er er naturligt fluorescerende - når de placeres under lys, de reagerer ved at frigive deres eget lys, en proces kaldet fotoluminescens. Bølgelængden (farven) af fluorescens afhænger af rørenes struktur, såsom den vinkel, de rulles i. Fluorescerende CNT'er er blevet undersøgt til brug i LED-belysning og medicinsk billeddannelse.

Kyushu-holdet havde til formål at få bedre kontrol over emissionsbølgelængden. "Fluorescens opstår, når elektroner bruger energi fra lys til at springe ind i højere orbitaler omkring atomer, " forklarer hovedforfatterne. "De synker tilbage til en lavere orbital, frigive derefter overskydende energi i form af lys. Bølgelængden af ​​udsendt lys adskiller sig fra indgangslyset, afhængigt af energien af ​​den emitterende orbital." Selvom fluorescens ofte er forbundet med gule materialer, fluorescensen af ​​disse CNT'er er infrarød, som er usynlig for øjet, men kan detekteres af sensorer.

Forskerne brugte kemi til at binde organiske molekyler - sekskanter af kulstofatomer - til CNT'erne. Dette skubbede orbitalerne op eller ned, dermed tuning af fluorescensen. Et af de seks atomer i hver sekskant var bundet til en CNT, forankring af molekylet til røret. En anden var bundet til en ekstra gruppe atomer (en substituent). På grund af den sekskantede form, de to bundne carbonatomer kunne være tilstødende (betegnet "o"), eller adskilt af et kulstof ("m"), eller med to ("p"). De fleste undersøgelser bruger "p"-arrangementet, hvor substituenten peger væk fra CNT, men Kyushu-holdet sammenlignede alle tre.

"o"-mønsteret producerede meget forskellig fluorescens fra "m" og "p" - i stedet for en infrarød bølgelængde, CNT'erne udsendte nu to. Dette skyldes forvrængning af rørene af substituenterne, som blev klemt mod rørvæggene. I mellemtiden for "m" og "p" arrangementerne, energierne afhang af, hvilke grundstoffer der var i substituenten. For eksempel, NO2 producerede større mellemrum mellem orbitaler end brom. Dette var ingen overraskelse, da NO2 er bedre til at tiltrække elektroner, skabe et elektrisk felt (dipol). Imidlertid, størrelsen af ​​effekten var forskellig mellem "m" og "p."

"Variationen i orbitalenergier med forskellige substituenter giver os fin kontrol af emissionsbølgelængden for CNT'er over et bredt område, " siger forfatterne. "Det vigtigste resultat er at forstå, hvordan dipoler påvirker fluorescens, så vi rationelt kan designe CNT'er med de meget præcise bølgelængder, der er nødvendige for biomedicinsk udstyr. Dette kan være meget vigtigt for udviklingen af ​​bioimaging i den nærmeste fremtid."

Artiklen, "Nær infrarød fotoluminescensmodulation ved defekt site design ved hjælp af arylisomerer i lokalt funktionaliserede enkeltvæggede kulstof nanorør, " blev offentliggjort i Kemisk kommunikation .