Goedkope, niet-toxische koolstofnanodots die klaar staan ​​om kwantumstippen van de toekomst te worden

Kleine fluorescerende halfgeleiderstippen, kwantumstippen genoemd, zijn nuttig in een verscheidenheid aan gezondheids- en elektronische technologieën, maar zijn gemaakt van giftige, dure metalen. Niet-giftige en economische stippen op koolstofbasis zijn gemakkelijk te produceren, maar ze zenden minder licht uit. Een nieuwe studie die ultrasnelle nanometrische beeldvorming gebruikt, vond goede en slechte emitters onder populaties van koolstofstippen. Deze observatie suggereert dat door alleen super-emitters te selecteren, koolstofnanodots kunnen worden gezuiverd om in veel toepassingen giftige metalen kwantumstippen te vervangen, aldus de onderzoekers.

De bevindingen, gepubliceerd in het Proceedings of the National Academy of Sciences, bracht onderzoekers van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign en de Universiteit van Delaware, Baltimore County samen in een samenwerkingsproject via het Beckman Institute for Advanced Science and Technology in Illinois.

“Toen we in deze studie kwamen, wisten we niet of alle koolstofstippen slechts middelmatige uitstoters zijn of dat sommige perfect waren en andere slecht”, zei professor Martin Gruebele, chemieprofessor uit Illinois, die de studie leidde. “We wisten dat als we konden laten zien dat er goede en slechte zijn, we uiteindelijk een manier zouden kunnen vinden om de perfecte uit de mix te kiezen.”

Bepalen of koolstofstippen goede of slechte lichtbronnen zijn, begint met het kunnen zien ervan, zei Gruebele. De stippen hebben een diameter van minder dan 10 nanometer en beslissen, wanneer ze worden opgewekt, of ze fluoresceren in een kwestie van in picoseconden – of een duizendste van een miljardste van een seconde.

“Met onze eerder ontwikkelde single-molecule absorptie scanning tunneling microscoop konden we alleen opgewonden toestanden in beeld brengen zonder tijdresolutie,” zei Gruebele. “In deze studie kunnen we nu kwantumdots opnemen terwijl ze in aangeslagen toestand verkeren door echte nanometer-ruimte-resolutie te combineren met femtoseconde-tijdresolutie.”

Het team ontdekte dat de energie-excitatie een van de twee paden volgt: ofwel licht uitzenden ofwel de energie als warmte uitstoten voordat ze de kans krijgen om te fluoresceren.

“We ontdekten dat in grote populaties ongeveer 20% van een bepaalde populatie van koolstofnanodots perfecte emitters is, terwijl ongeveer 80% een zeer korte lichtemissietoestand heeft voordat warmte wordt uitgestoten”, zei Gruebele. “De mogelijkheid om te zien dat er verschillende populaties zijn, vertelt ons dat het mogelijk is om koolstofstippenpopulaties te zuiveren door alleen de perfecte lichtemitters te selecteren.”

De mogelijkheid om de perfecte stippen te kiezen, zou het concept van efficiënte op koolstof gebaseerde stippen werkelijkheid kunnen maken, zei Gruebele. “Metalen kwantumstippen worden vaak gebruikt om de gezondheid van levende cellen te bewaken, wat verre van ideaal is, en een niet-toxische, economische optie zou een aanzienlijke vooruitgang zijn.”

De nieuwe beeldtechnologie stelt de onderzoekers ook in staat om te observeren waarom sommige stippen nooit oplichten, wat erop duidt dat er hoop is dat onderzoekers ooit perfecte lichtgevende koolstofstippen kunnen synthetiseren.

“We weten nu dat we een instrument hebben dat het probleem identificeert”, zei Gruebele. “Of we het nu gebruiken om groepen koolstofstippen te zuiveren of om perfecte lichtgevende koolstofstippen te helpen synthetiseren, is nu slechts een kwestie van waar we naartoe willen.”