La normale immagine al microscopio a effetto tunnel di un punto di carbonio a sinistra mostra solo un punto senza caratteristiche. L'STM di assorbimento della singola molecola risolta nel tempo sulla destra rivela che l'eccitazione laser è inizialmente distribuita sull'intero punto di carbonio, ma entro pochi picosecondi l'eccitazione migra in un'area altamente localizzata sulla superficie. La barra della scala bianca è lunga 5 nanometri. Credito:Martin Gruebele
Piccoli punti fluorescenti a semiconduttore, chiamati punti quantici, sono utili in una varietà di tecnologie sanitarie ed elettroniche ma sono fatti di sostanze tossiche, metalli costosi. I punti a base di carbonio atossici ed economici sono facili da produrre, ma emettono meno luce. Un nuovo studio che utilizza l'imaging nanometrico ultraveloce ha trovato emettitori buoni e cattivi tra le popolazioni di punti di carbonio. Questa osservazione suggerisce che selezionando solo i superemettitori, i nanopunti di carbonio possono essere purificati per sostituire i punti quantici di metalli tossici in molte applicazioni, hanno detto i ricercatori.
Le scoperte, pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , ha riunito ricercatori dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign e dell'Università del Delaware, Baltimore County in un progetto collaborativo attraverso il Beckman Institute for Advanced Science and Technology dell'Illinois.
"Entrando in questo studio, non sapevamo se tutti i punti di carbonio fossero solo emettitori mediocri o se alcuni fossero perfetti e altri cattivi, " ha detto il professore di chimica dell'Illinois Martin Gruebele, che ha condotto lo studio. "Sapevamo che se potessimo dimostrare che ci sono quelli buoni e quelli cattivi, forse alla fine potremmo trovare un modo per scegliere quelli perfetti dal mix."
Determinare se i punti di carbonio sono buoni o cattivi emettitori di luce inizia con l'essere in grado di vederli, disse Gruebele. I punti hanno un diametro inferiore a 10 nanometri e, quando eccitato, decidere se emettere fluorescenza in pochi picosecondi o un millesimo di un miliardesimo di secondo.
"Utilizzando il nostro microscopio a effetto tunnel a scansione ad assorbimento a singola molecola precedentemente sviluppato, potevamo solo immaginare stati eccitati senza risoluzione temporale, " Gruebele ha detto. "In questo studio, però, ora possiamo registrare punti quantici mentre si trovano nel loro stato eccitato combinando una risoluzione spaziale nanometrica reale con una risoluzione temporale a femtosecondi".
Martin Gruebele, Giusto, e lo studente laureato Huy Nguyen dimostrano che i punti quantici economici a base di carbonio emettono abbastanza luce quando eccitati per sostituire alla fine i punti quantici metallici costosi e tossici utilizzati in molte applicazioni sanitarie ed elettroniche. Credito:L. Brian Stauffer
Il team ha scoperto che l'eccitazione dell'energia prende uno dei due percorsi:emette luce o espelle l'energia sotto forma di calore prima di avere la possibilità di fluorescenza.
"Abbiamo scoperto che in popolazioni di massa, circa il 20% di una data popolazione di nanopunti di carbonio sono emettitori perfetti, mentre circa l'80% ha uno stato di emissione della luce molto breve prima di espellere il calore, " Ha detto Gruebele. "Essere in grado di vedere che ci sono diverse popolazioni ci dice che potrebbe essere possibile purificare le popolazioni di punti di carbonio selezionando solo gli emettitori di luce perfetti".
La capacità di individuare i punti perfetti potrebbe trasformare in realtà il concetto di punti efficienti basati sul carbonio, disse Gruebele. "I punti quantici di metallo sono spesso usati per monitorare la salute delle cellule viventi, che è tutt'altro che ideale, e avendo un atossico, l'opzione economica sarebbe un progresso significativo."
La nuova tecnologia di imaging consente inoltre ai ricercatori di osservare perché alcuni punti non si accendono mai, suggerendo che c'è speranza che i ricercatori possano un giorno sintetizzare punti di carbonio perfetti che emettono luce.
"Ora sappiamo di avere uno strumento che identifica il problema, " Ha detto Gruebele. "Se lo usiamo per purificare gruppi di punti di carbonio o per aiutare a sintetizzare punti di carbonio perfetti che emettono luce è ora solo una questione di dove vogliamo andare dopo".
