Kol är inte bara det viktigaste elementet för livet, den har också sina fascinerande egenskaper. Grafen - en ren kolskiva bara en atom tjock - är ett av de starkaste materialen. Rulla grafen till en cylinder och du får kolnanorör (CNT), nyckeln till många nya teknologier.
Nu, i en studie rapporterad i Kemisk kommunikation , forskare vid Japans Kyushu University lärde sig att kontrollera fluorescensen av CNT, potentiellt tillåta nya applikationer.
CNT är naturligt fluorescerande - när de placeras under ljus, de svarar genom att släppa ut sitt eget ljus, en process som kallas fotoluminescens. Fluorescensens våglängd (färg) beror på rörens struktur, såsom vinkeln med vilken de rullas. Fluorescerande CNT har studerats för användning i LED-belysning och medicinsk bildbehandling.
Kyushu-teamet hade som mål att få bättre kontroll över utsläppsvåglängden. "Fluorescens uppstår när elektroner använder energi från ljus för att hoppa in i högre orbitaler runt atomer, " förklarar huvudförfattarna. "De sjunker tillbaka till en lägre orbital, släpp sedan överskottsenergi i form av ljus. Våglängden för det emitterade ljuset skiljer sig från ingångsljuset, beroende på energin hos den emitterande orbitalen." Även om fluorescens ofta förknippas med gula material, fluorescensen av dessa CNT är infraröd, som är osynlig för ögat men kan upptäckas av sensorer.
Forskarna använde kemi för att binda organiska molekyler - hexagoner av kolatomer - på CNT. Detta tryckte orbitalen uppåt eller nedåt, justering av fluorescensen. En av de sex atomerna i varje hexagon var bunden till en CNT, förankrar molekylen i röret. En annan var bunden till en extra grupp av atomer (en substituent). På grund av den hexagonala formen, de två bundna kolen kan vara intilliggande (betecknade "o"), eller separerade med ett kol ("m"), eller med två ("p"). De flesta studier använder "p"-arrangemanget, där substituenten pekar bort från CNT, men Kyushu-teamet jämförde alla tre.
"o"-mönstret producerade mycket olika fluorescens från "m" och "p" - istället för en infraröd våglängd, CNT:erna släppte nu ut två. Detta berodde på distorsion av rören av substituenterna, som klämdes mot rörväggarna. Under tiden, för arrangemangen "m" och "p", energierna berodde på vilka grundämnen som fanns i substituenten. Till exempel, NO2 producerade större gap mellan orbitaler än brom. Detta var ingen överraskning, eftersom NO2 är bättre på att attrahera elektroner, skapar ett elektriskt fält (dipol). Dock, storleken på effekten skilde sig mellan "m" och "p."
"Variationen i orbitalenergier med olika substituenter ger oss fin kontroll över emissionsvåglängden för CNT över ett brett område, " säger författarna. "Det viktigaste resultatet är att förstå hur dipoler påverkar fluorescens, så att vi rationellt kan designa CNT:er med de mycket exakta våglängder som behövs för biomedicinska apparater. Detta kan vara mycket viktigt för utvecklingen av bioavbildning inom en snar framtid."
Artikeln, "Nära infraröd fotoluminescensmodulering genom defekt platsdesign med användning av arylisomerer i lokalt funktionaliserade enkelväggiga kolnanorör, " publicerades i Kemisk kommunikation .
