Som Ludwig Maximilian University of Münchens fysiker visar i en ny studie, de optiska och fotokatalytiska egenskaperna hos så kallade kolpunkter kan justeras exakt genom att kontrollera positionerna för kväveatomer som införs i deras struktur.

Tack vare deras ovanliga optiska egenskaper, kolpartiklar med diametrar i storleksordningen några nanometer - så kallade C-punkter - visar mycket lovande för ett brett spektrum av tekniska tillämpningar, lika olika som energiomvandling och bioavbildning. Dessutom, C-dots har flera praktiska fördelar jämfört med jämförbara material såtillvida att de är lätta att tillverka, stabil och innehåller inga giftiga tungmetaller. Deras mångsidighet beror till stor del på det faktum att de - beroende på deras kemiska sammansättning och aspekter av deras komplexa struktur - antingen kan fungera som ljussändare i form av fotoluminescens eller fungera som fotokatalysatorer genom att absorbera ljusenergi och utlösa kemiska reaktioner, som vattenklyvning. Dock, faktorerna som bestämmer dessa olika förmågor är inte väl förstådda. Nu har LMU-fysiker under ledning av Dr Jacek Stolarczyk tittat närmare på mekanismerna bakom dessa mycket olika egenskaper. Deras studie, som visas online i tidskriften Naturkommunikation , visar att de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos dessa nanomaterial enkelt och exakt kan ställas in genom att introducera kväveatomer i deras komplexa kemiska struktur på ett kontrollerat sätt.

"Ända tills nu, C-punkter har vanligtvis optimerats utifrån principen om försök och fel, " säger Stolarczyk. "För att komma bortom detta stadium, det är viktigt att få en detaljerad förståelse av de mekanismer som ligger till grund för deras olika optiska egenskaper." Studien genomfördes som en del av det tvärvetenskapliga projektet "Solar Technologies Go Hybrid" (SolTech) koordinerat av Prof. Jochen Feldmann. SolTech finansieras av delstaten Bayern att utforska innovativa koncept för omvandling av solstrålning till elektricitet och användning av icke-fossil, och helst giftfri och rikligt tillgänglig, bränslekällor för lagring av energi. C-punkter är i många avseenden idealiska för sådana applikationer.

C-punkter är uppbyggda av nätverk av polycykliska aromatiska kolföreningar, vars komplexa interaktioner avgör hur de reagerar på ljus. I den nya studien, forskarna från München syntetiserade sina C-punkter genom att kombinera citronsyra som ett kolskelett med en grenad, kvävehaltig polymer, och bestrålning av blandningen med mikrovågor. I en serie experiment, de varierade systematiskt koncentrationen av polymeren i blandningen, så att olika mängder kväve införlivades i kolnäten. De fann att de exakta förhållanden som användes hade en kritisk inverkan på sättet att införliva kväve i kolgittren som utgör C-punkterna, d.v.s. om det ersatte en av kolatomerna som bildar de sammanlänkade 6-ledade kolringarna som liknar små grafenflingor, eller i de 5- och 6-ledade ringarna som finns på de fria kanterna av de aromatiska strukturerna.

"Vår undersökning visade att den kemiska miljön för de ingående kväveatomerna har en avgörande inverkan på egenskaperna hos de resulterande C-punkterna, " säger Dr Santanu Bhattacharyya, uppsatsens första författare och Alexander-von-Humboldt-stipendiat i professor Jochen Feldmanns forskargrupp. Inkorporering i grafenliknande strukturer, hittas vid mellanliggande polymerkoncentrationer, ledde till prickarna som övervägande avger blå fotoluminescens när de bestrålas med ljus av lämplig våglängd. Å andra sidan, inkorporering vid kantpositioner, hittats för antingen mycket höga eller mycket låga mängder av polymeren, undertryckte fotoluminescens och resulterade i C-punkter som fotokatalytiskt reducerade vatten till väte istället. Med andra ord, de optiska egenskaperna hos C-punkterna kan modifieras efter behag genom att variera detaljerna i proceduren som används för att syntetisera dem. Medlemmarna i LMU-teamet tror att deras senaste insikter kommer att stimulera ytterligare arbete med användningen av dessa spännande nanomaterial, både som fotoluminescerande ljuskällor och som fotokatalysatorer i energiomvandlingsprocesser.