Billig, ikke-toksiske kulstofnanodotter, der er klar til at være fremtidens kvanteprikker

Små fluorescerende halvlederprikker, kaldet kvanteprikker, er nyttige i en række sundheds- og elektroniske teknologier, men er lavet af giftige, dyre metaller. Ikke-toksiske og økonomiske kulstofbaserede prikker er nemme at fremstille, men de udsender mindre lys. En ny undersøgelse, der bruger ultrahurtig nanometrisk billeddannelse, fandt gode og dårlige emittere blandt populationer af kulstofprikker. Denne observation antyder, at ved kun at vælge superemittere, carbon nanodots kan renses for at erstatte giftige metal kvanteprikker i mange applikationer, sagde forskerne.

Fundene, offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences , samlede forskere fra University of Illinois Urbana-Champaign og University of Delaware, Baltimore County i et samarbejdsprojekt gennem Beckman Institute for Advanced Science and Technology i Illinois.

"Når jeg kommer ind i denne undersøgelse, vi vidste ikke, om alle kulstofprikker kun er middelmådige emittere, eller om nogle var perfekte, og andre var dårlige, " sagde Illinois kemiprofessor Martin Gruebele, der ledede undersøgelsen. "Vi vidste, at hvis vi kunne vise, at der er gode og dårlige, måske kunne vi i sidste ende finde en måde at vælge de perfekte ud af blandingen."

At afgøre, om kulstofprikker er gode eller dårlige lysgivere, starter med at kunne se dem, sagde Gruebele. Prikkerne er mindre end 10 nanometer i diameter og, når man er spændt, beslutte, om du vil fluorescere i løbet af picosekunder - eller en tusindedel af en milliardtedel af et sekund.

"Ved at bruge vores tidligere udviklede enkelt-molekyle absorption scanning tunneling mikroskop, vi kunne kun afbilde exciterede tilstande uden tidsopløsning, " sagde Gruebele. "I denne undersøgelse, imidlertid, vi kan nu optage kvanteprikker, mens de er i deres ophidsede tilstand ved at kombinere ægte nanometer rumopløsning med femtosekund tidsopløsning."

Holdet fandt ud af, at energiexcitationen tager en af ​​to veje:enten udsender lys eller udstøder energien som varme, før de får en chance for at fluorescere.

"Vi fandt ud af, at i bulkpopulationer, cirka 20 % af en given population af kulstofnanodotter er perfekte emittere, mens omkring 80 % har en meget kort lysemissionstilstand, før de udstøder varme, " sagde Gruebele. "At være i stand til at se, at der er forskellige populationer, fortæller os, at det kan være muligt at rense kulstofprikpopulationer ved kun at vælge de perfekte lysudsender."

Evnen til at udvælge de perfekte prikker kunne gøre konceptet med effektive kulstofbaserede prikker til virkelighed, sagde Gruebele. "Metalkvanteprikker bruges ofte til at overvåge levende cellers sundhed, hvilket er langt fra ideelt, og har en giftfri, økonomisk mulighed ville være et væsentligt fremskridt."

Den nye billedteknologi giver også forskerne mulighed for at observere, hvorfor nogle prikker aldrig lyser, antyder, at der er håb om, at forskere en dag kan syntetisere perfekte lysemitterende kulstofprikker.

"Vi ved nu, at vi har et instrument, der identificerer problemet, " sagde Gruebele. "Om vi ​​bruger det til at rense grupper af kulstofprikker eller til at hjælpe med at syntetisere perfekte lysemitterende kulstofprikker er nu kun et spørgsmål om, hvor vi vil hen næste gang."