Utsikten att förvandla kol till fluorescerande partiklar låter kanske för bra för att vara sant, men möjligheten finns tack vare forskare vid Rice University.

Rice-labbet av kemisten James Tour hittade enkla metoder för att reducera tre typer av kol till grafenkvantprickar (GQDs), mikroskopiska skivor av atomtjock grafenoxid som kan användas i medicinsk bildbehandling såväl som avkänning, elektroniska och solcellsapplikationer.

Fyndet rapporterades idag i journalen Naturkommunikation .

Bandgap bestämmer hur ett halvledande material bär en elektrisk ström. I kvantprickar, bandgap är ansvariga för deras fluorescens och kan justeras genom att ändra prickarnas storlek. Processen av Tour och företaget tillåter ett mått av kontroll över deras storlek, vanligtvis från 2 till 20 nanometer, beroende på källan till kolet.

Det finns många sätt att göra GQDs nu, men de flesta är dyra och producerar mycket små kvantiteter, sa Tour. Även om ett annat rislabb hittade ett sätt förra året att göra GQDs av relativt billig kolfiber, kol lovar större mängder GQDs som görs ännu billigare i ett kemiskt steg, han sa.

"Vi ville se vad som finns i kol som kan vara intressant, så vi satte den genom en mycket enkel oxidationsprocedur, Tour förklarade. Det innebar att krossa kolet och bada det i sura lösningar för att bryta bindningarna som håller ihop de små grafendomänerna.

"Du kan inte bara ta en bit grafen och lätt hacka upp den så här liten, " han sa.

Tour berodde på labbet av Rice kemist och medförfattare Angel Martí för att hjälpa till att karakterisera produkten. Det visade sig att olika typer av kol gav olika typer av prickar. GQDs härrörde från bituminöst kol, antracit och koks, en biprodukt av oljeraffinering.

Kolen sonikerades var och en i salpetersyra och svavelsyra och upphettades under 24 timmar. Bituminöst kol producerade GQDs mellan 2 och 4 nanometer breda. Koks producerade GQDs mellan 4 och 8 nanometer, och antracitgjorda staplade strukturer från 18 till 40 nanometer, med små runda lager ovanpå större, tunnare lager. (Bara för att se vad som skulle hända, forskarna behandlade grafitflingor med samma process och fick mestadels mindre grafitflingor.)

Tour sa att prickarna är vattenlösliga, och tidiga tester har visat att de är giftfria. Det erbjuder löftet att GQDs kan fungera som effektiva antioxidanter, han sa.

Medicinsk bildbehandling kan också ha stor nytta, eftersom prickarna visar robust prestanda som fluorescerande medel.

"Ett av problemen med standardsonder i fluorescensspektroskopi är att när du laddar dem i en cell och träffar dem med kraftfulla lasrar, du ser dem under en bråkdel av en sekund till uppåt några sekunder, och det är allt, " sa Martí. "De är fortfarande där, men de har fotoblekts. De fluorescerar inte längre."

Tester i Martí-labbet visade att GQDs motstår blekning. Efter timmar av upphetsning, Martí sa, det fotoluminescerande svaret hos de kolbaserade GQD:erna påverkades knappt.

Det skulle kunna göra dem lämpliga för användning i levande organismer. "Eftersom de är så stabila, de skulle teoretiskt kunna göra bildbehandlingen mer effektiv, " han sa.

En liten förändring i storleken på en kvantpunkt – så lite som en bråkdel av en nanometer – ändrar dess fluorescerande våglängder med en mätbar faktor, och det visade sig sant för de kolbaserade GQDs, sa Martí.

Låg kostnad blir också oavgjort, enligt Tour. "Grafit är $2, 000 per ton för det bästa som finns, från Storbritannien, " sade han. "Billigare grafit är $800 per ton från Kina. Och kol är $10 till $60 per ton.

"Kol är det billigaste materialet du kan få för att producera GQD, och vi fann att vi kan få en avkastning på 20 procent. Så denna upptäckt kan verkligen förändra kvantprickindustrin. Det kommer att visa världen att inuti kol finns dessa mycket intressanta strukturer som har verkligt värde."