Egenskaperna hos kolbaserade nanomaterial kan förändras och konstrueras genom avsiktligt införande av vissa strukturella "imperfektioner" eller defekter. Utmaningen, dock, är att kontrollera antalet och typen av dessa defekter. När det gäller kolnanorör - mikroskopiskt små rörformiga föreningar som avger ljus i det nära-infraröda - har kemister och materialvetare vid Heidelbergs universitet under ledning av prof. Dr. Jana Zaumseil nu visat en ny reaktionsväg för att möjliggöra sådan defektkontroll. Det resulterar i specifika optiskt aktiva defekter - så kallade sp3-defekter - som är mer självlysande och kan avge enstaka fotoner, det är, ljuspartiklar. Den effektiva emissionen av nära-infrarött ljus är viktig för tillämpningar inom telekommunikation och biologisk avbildning.

Vanligtvis anses defekter vara något "dåligt" som negativt påverkar egenskaperna hos ett material, gör det mindre perfekt. Dock, i vissa nanomaterial som kolnanorör kan dessa "imperfektioner" resultera i något "bra" och möjliggöra nya funktioner. Här, den exakta typen av defekter är avgörande. Kolnanorör består av hoprullade ark av ett hexagonalt gitter av sp2 kolatomer, eftersom de även förekommer i bensen. Dessa ihåliga rör är ungefär en nanometer i diameter och upp till flera mikrometer långa.

Genom vissa kemiska reaktioner, några sp2-kolatomer i gittret kan omvandlas till sp3-kol, som också finns i metan eller diamant. Detta förändrar den lokala elektroniska strukturen hos kolnanoröret och resulterar i en optiskt aktiv defekt. Dessa sp3-defekter avger ljus ännu längre i det nära-infraröda och är totalt sett mer självlysande än nanorör som inte har funktionaliserats. På grund av kolnanorörens geometri, den exakta positionen för de introducerade sp3-kolatomerna bestämmer de optiska egenskaperna hos defekterna. "Tyvärr, hittills har det varit väldigt lite kontroll över vilka defekter som bildas, säger Jana Zaumseil, som är professor vid Institutet för fysikalisk kemi och medlem av Centrum för avancerade material vid Heidelbergs universitet.

Heidelberg-forskaren och hennes team demonstrerade nyligen en ny kemisk reaktionsväg som möjliggör defektkontroll och selektivt skapande av endast en specifik typ av sp3-defekt. Dessa optiskt aktiva defekter är "bättre" än någon av de tidigare introducerade "defekterna". Inte bara är de mer självlysande, de visar också singelfotonemission vid rumstemperatur, Prof. Zaumseil förklarar. I denna process, endast en foton sänds ut åt gången, vilket är en förutsättning för kvantkryptografi och mycket säker telekommunikation.

Enligt Simon Settele, en doktorand i Prof. Zaumseils forskargrupp och den första författaren på tidningen som rapporterar dessa resultat, denna nya funktionaliseringsmetod – en nukleofil addition – är mycket enkel och kräver ingen speciell utrustning. "Vi har bara precis börjat utforska de potentiella tillämpningarna. Många kemiska och fotofysiska aspekter är fortfarande okända. Men, målet är att skapa ännu bättre defekter."

Denna forskning är en del av projektet "Trions and sp3-Defects in Single-walled Carbon Nanotubes for Optoelectronics" (TRIFECTs), leds av Prof. Zaumseil och finansieras av ett ERC Consolidator Grant från European Research Council (ERC). Dess mål är att förstå och konstruera de elektroniska och optiska egenskaperna hos defekter i kolnanorör.

"De kemiska skillnaderna mellan dessa defekter är subtila och den önskade bindningskonfigurationen bildas vanligtvis bara i en minoritet av nanorör. Att kunna producera ett stort antal nanorör med en specifik defekt och med kontrollerade defektdensiteter banar väg för såväl optoelektroniska enheter som elektriskt pumpade enfotonkällor, som behövs för framtida tillämpningar inom kvantkryptografi, " säger Prof. Zaumseil.