Tekniska framsteg drivs ofta av materialvetenskap. Högteknologiska enheter kräver "smarta" material som kombinerar en rad egenskaper. Ett imponerande aktuellt exempel är kolnanorör (CNT) - enkla ark av kolatomer rullade till en cylinder. Dessa ultratunna rör har enorm mekanisk styrka och elektrisk ledningsförmåga. De avger också infrarött fluorescerande ljus, gör dem upptäckbara. Detta gör dem till spännande material för framtida bioavbildningsteknik, men mekanismen har visat sig förvånansvärt svårfångad.
Frekvensen av infrarött ljus som emitteras av CNT:er ändras när organiska molekyler fästs på utsidan av rören. Detta ger ett sätt att "justera" fluorescensen beroende på det önskade syftet. Dock, ursprunget till frekvensskiftet är svårt att undersöka, eftersom endast ett fåtal molekyler faktiskt placeras på rören. Standardmetoder kämpar därför för att lokalisera dem – en uppgift av nål-i-höstack.
Nu, en trio forskare vid Japans Kyushu-universitet har gjort framsteg i att förstå dessa frekvensförskjutningar på atomnivå. I en studie publicerad i Nanoskala , de rapporterar att de använder tekniken för spektroelektrokemi - applicering av en elektrisk potential ("elektro") på ett fluorescerande material, och mätning av den resulterande ljusemissionen ("spektro"). Användningen av elektricitet avslöjar elektronenerginivåerna i CNT, dvs. orbitaler runt atomer. Detta är avgörande, eftersom fluorescens består av "exciterade" elektroner som rör sig från en orbital till en annan, sedan frigör energi i form av ljus.
"Frekvensen av fluorescens från CNT beror på gapen mellan elektronenerginivåer, ", förklarar huvudförfattarna. "Dessa luckor beror i sin tur på vilka element som är bundna till utsidan av nanorören. Till exempel, Vi fann att molekyler som innehåller brom förde energinivåerna närmare varandra jämfört med molekyler med väte i samma position."
Detta minskar klyftan - mestadels genom att höja den högsta ockuperade orbitalen, för det närmare de tomma orbitalen ovanför det - och resulterar i fluorescens med en lägre frekvens.
De uppmätta förändringarna i elektroniska tillstånd överensstämde med de fluorescerande skiftningarna. Detta bekräftade att elektronenerginivåerna var nyckeln till frekvensinställning, gör det möjligt för forskarna att utesluta en alternativ förklaring baserad på stabiliteten hos exciterade elektroner. Det verkar som att effekten främst orsakas av det elektriska fältet, eller dipol, som genereras när molekyler binds till CNT. Detta fält, i tur och ordning, beror på förmågan hos dessa molekyler att dra elektroner bort från kolet i nanorören.
"Fluorescerande CNT kan spela en stor roll inom biomedicin, " säger författarna. "Vår studiemetod, baserad på elektrokemi, kommer att tillåta forskare att förstå fluorescerande material i full elektronisk detalj. Inom en snar framtid, detta kommer att öppna vägen för finjustering av CNT, när det gäller både optisk frekvens och ljusstyrka, genom noggrant riktad kemisk dekoration."
Artikeln, "Substituenteffekter på redoxtillstånden hos lokalt funktionaliserade enkelväggiga kolnanorör som avslöjas av in situ fotoluminescensspektroelektrokemi, " publicerades i Nanoskala .
