Att kolnanorör fluorescerar är inte längre en överraskning. Att hitta en andra nivå av fluorescens är överraskande och potentiellt användbart.

Hur fungerar det? Vänta på det.

Rice University lab av Bruce Weisman, en professor i kemi som ledde den banbrytande upptäckten av nanorörsfluorescens 2002, fann att enväggiga nanorör avger en fördröjd sekundär fluorescens när den utlöses av en flerstegsprocess i en lösning med färgämnen och löst syre.

Fördröjningen är bara mikrosekunder, men det räcker att upptäckas med viss ansträngning.

Den komplexa processen är detaljerad av Weisman, huvudförfattare och risalumn Ching-Wei Lin, och forskare Sergei Bachilo i Journal of the American Chemical Society .

Reaktionen börjar när ljuset väcker en lösning som innehåller ett färgämne som kallas rosbengal. Syre molekyler upplösta i lösningen fångar energi från färgämnet, bildar en energisk form av O2. Dessa överför sedan sin energi till nanorör, där excitoner - kvasipartiklar gjorda av elektroner och elektronhål - genereras i deras triplettillstånd. Med lite extra termisk energi, dessa excitoner blir befordrade till ett singletillstånd med högre energi som avger den observerade fluorescensen.

"Under ett antal år, vi har tittat på intressanta effekter som involverar nanorör och syre, "Weisman sa." Vi har hittat ganska många saker som kan hända, från fysiska effekter som denna energiöverföring eller den reversibla släckningen av fluorescens, för att utlösa kemiska reaktioner mellan nanorör och DNA. Så denna studie var en del av ett större utforskningsprogram. "

Deras förmåga att excitera upplösta syremolekyler fick forskarna att se hur det skulle påverka intilliggande nanorör, Sa Weisman.

"Vi gör singlett syre genom att spänna en färgmolekyl med synligt ljus, och sedan inaktiverar syret färgämnet och blir upphetsad själv, "sade han." Den tanken går tillbaka årtionden inom fotofysik och är mycket konventionell. Vad som är ovanligt här är att singlet-syret interagerar med nanoröret för att direkt göra triplett-statliga excitationer i röret. Dessa trillingstater har varit ganska svårfångade.

"Triplettillstånd för organiska molekyler är de längsta levande upphetsade tillstånden, "Weisman sa." Deras livstid är storleksordningar större än singlets upphetsade tillstånd, så de kan hänga kvar tillräckligt länge för att stöta på något annat och genomgå kemiska reaktioner.

"Men eftersom nanorörstripletttillstånd inte avger ljus eller direkt absorberar ljus mycket bra, de är knepiga att studera och man vet inte för mycket om dem, "sa han." Det vi har gjort är att försöka förstå dem lite bättre. "

Utlösande fluorescens krävde fortfarande ett extra steg. "Bara av slumpmässig termisk omrörning i deras omgivning, dessa killar kan ibland bli sparkade upp till det ljusa singlettillståndet, och sedan kan de berätta att de är där genom att spotta ut en foton, "Sa Weisman.

Eftersom triplet -tillståndet kan vara 10 mikrosekunder eller så, att uppkonverterad utsläpp kallas fördröjd fluorescens.

Forskarna var tvungna att hitta ett sätt att upptäcka den relativt svaga effekten bland nanorörens ljusa primära fluorescens. "Det var som att försöka se ett svagt föremål direkt efter att ha blivit förblindad av en ljus kamerablixt, "Sade Weisman." Vi var tvungna att utforma någon speciell instrumentation. "

En enhet "är i grunden en snabb mekanisk slutare" som täcker den kortvågiga infraröda (SWIR) spektrometern under den ljusa blixten och sedan snabbt öppnas, en slags backkamera som går från täckt till öppet på sju mikrosekunder. Den andra enheten, han sa, är en känslig detektor som utlöses med en elektronisk signal och mäter hur det svaga utsläppet försvinner med tiden. "Dessa system byggdes båda av Ching-Wei, vem är en fantastisk experimentist, " han sa.

Weisman och kollegor har använt nanorörsfluorescens i medicinsk bildteknik och i nanorörbaserad smart hud för att mäta påfrestningar i ytor, bland andra applikationer. Han sa att den nya upptäckten så småningom kan hitta vägen till optoelektronik och solenergi.

"Det finns inget direkt steg där någon kommer att läsa detta och göra ett nytt, mer effektiv enhet, "Sade Weisman." Men denna grundläggande kunskap om processer och egenskaper är grunden som ny teknik bygger på. "