KAIST-forskare har syntetiserat en samling nanopartiklar, känd som kolprickar, kan sända ut flera våglängder av ljus från en enda partikel. Dessutom, teamet upptäckte att spridningen av kolprickarna, eller avståndet mellan partiklarna mellan varje punkt, påverkar egenskaperna hos ljuset kolprickarna avger. Upptäckten kommer att tillåta forskare att förstå hur man kontrollerar dessa kolprickar och skapar nya, miljövänliga skärmar, belysning, och avkänningsteknik.

Forskning om nanopartiklar som kan avge ljus, som kvantprickar, har varit ett aktivt intresseområde det senaste och ett halvt decenniet. Dessa partiklar, eller fosfor, är nanopartiklar gjorda av olika material som kan avge ljus vid specifika våglängder genom att utnyttja materialens kvantmekaniska egenskaper. Detta ger nya sätt att utveckla ljus- och displaylösningar samt mer exakt detektering och avkänning i instrument.

När tekniken blir mindre och mer sofistikerad, användningen av fluorescerande nanopartiklar har sett en dramatisk ökning i många applikationer på grund av renheten hos färgerna som emitteras från prickarna samt deras anpassningsbarhet för att uppfylla önskade optiska egenskaper.

Kolprickar, en typ av fluorescerande nanopartiklar, har sett ett ökat intresse från forskare som en kandidat för att ersätta prickar utan kol, vars konstruktion kräver tungmetaller som är giftiga för miljön. Eftersom de huvudsakligen består av kol, den låga toxiciteten är en extremt attraktiv egenskap i kombination med avstämbarheten av deras inneboende optiska egenskaper.

En annan slående egenskap hos kolprickar är deras förmåga att sända ut flera våglängder av ljus från en enda nanopartikel. Denna multivåglängdsemission kan stimuleras under en enda excitationskälla, möjliggör enkel och robust generering av vitt ljus från en enda partikel genom att sända ut flera våglängder samtidigt.

Kolprickar uppvisar också en koncentrationsberoende fotoluminescens. Med andra ord, avståndet mellan enskilda kolprickar påverkar ljuset som kolprickarna sedan avger under en excitationskälla. Dessa kombinerade egenskaper gör kolprickar till en unik källa som kommer att resultera i extremt exakt detektering och avkänning.

Detta koncentrationsberoende, dock, hade inte blivit helt förstått. För att fullt ut kunna utnyttja kolprickarnas möjligheter, mekanismerna som styr de till synes variabla optiska egenskaperna måste först avslöjas. Det var tidigare en teori om att kolprickarnas koncentrationsberoende berodde på en vätebindningseffekt.

Nu, ett KAIST-forskarteam, under ledning av professor Do Hyun Kim vid institutionen för kemi- och biomolekylär teknik har hävdat och visat att den dubbla färgemissionen istället beror på avstånden mellan partiklarna mellan varje kolprick. Forskningen publicerades i 36:e numret av Fysikalisk kemi Kemisk fysik .

Tidningens första författare, Ph.D. kandidat Hyo Jeong Yoo, tillsammans med professor Kim och forskaren Byeong Eun Kwak, undersökt hur den relativa ljusintensiteten för de röda och blå färgerna förändrades när man varierade mellanpartikelavstånden, eller koncentration, av kolprickarna. De fann att när koncentrationen justerades, ljuset som sänds ut från kolprickarna skulle förvandlas. Genom att variera koncentrationen, teamet kunde kontrollera den relativa intensiteten av färgerna, samt avge dem samtidigt för att generera ett vitt ljus från en enda källa (se figur).

"Koncentrationsberoendet av fotoluminescensen av kolprickar på förändringen av de emissiva ursprungen för olika interpartikelavstånd har förbisetts i tidigare forskning. Med analysen av dubbelfärgs-emissionsfenomenet kolprickar, vi tror att detta resultat kan ge ett nytt perspektiv för att undersöka deras fotoluminescensmekanism, " Yoo förklarade.

Den nyligen analyserade förmågan att kontrollera fotoluminescensen hos kolprickar kommer sannolikt att utnyttjas kraftigt i den fortsatta utvecklingen av solid-state belysningstillämpningar och avkänning.