Che i nanotubi di carbonio siano fluorescenti non è più una sorpresa. Trovare un secondo livello di fluorescenza è sorprendente e potenzialmente utile.

Come funziona? Aspettalo.

Il laboratorio della Rice University di Bruce Weisman, un professore di chimica che ha guidato la scoperta pionieristica della fluorescenza dei nanotubi nel 2002, hanno scoperto che i nanotubi a parete singola emettono una fluorescenza secondaria ritardata quando innescati da un processo a più fasi in una soluzione con molecole di colorante e ossigeno disciolto.

Il ritardo è di soli microsecondi, ma è sufficiente per essere individuati con un certo sforzo.

Il complesso processo è dettagliato da Weisman, autore principale e alunno di Rice Ching-Wei Lin, e ricercatore Sergei Bachilo nel Giornale della Società Chimica Americana .

La reazione inizia quando la luce eccita una soluzione contenente un colorante chiamato rosa bengala. Le molecole di ossigeno disciolte nella soluzione catturano energia dal colorante, formando una forma energizzata di O2. Questi poi trasferiscono la loro energia ai nanotubi, dove gli eccitoni, quasiparticelle fatte di elettroni e lacune di elettroni, vengono generati nel loro stato di tripletta. Con un po' di energia termica aggiunta, quegli eccitoni vengono promossi a uno stato di singoletto ad alta energia che emette la fluorescenza osservata.

"Da alcuni anni, abbiamo osservato effetti interessanti che coinvolgono nanotubi e ossigeno, " ha detto Weisman. "Abbiamo trovato una serie di cose che possono accadere, da effetti fisici come questo trasferimento di energia o l'estinzione reversibile della fluorescenza, all'innesco di reazioni chimiche tra nanotubi e DNA. Quindi questo studio faceva parte di un più ampio programma di esplorazione".

La loro capacità di eccitare le molecole di ossigeno disciolto ha spinto i ricercatori a vedere come ciò avrebbe effetto sui nanotubi adiacenti, ha detto Weismann.

"Produciamo ossigeno singoletto eccitando una molecola di colorante con luce visibile, e poi l'ossigeno disattiva il colorante e si eccita, " ha detto. "Questa idea risale a decenni fa nella fotofisica ed è molto convenzionale. Ciò che è insolito qui è che l'ossigeno singoletto interagisce con il nanotubo per produrre direttamente eccitazioni di stato tripletto nel tubo. Quegli stati di tripletta sono stati piuttosto sfuggenti.

"Gli stati di tripletto delle molecole organiche sono gli stati eccitati più longevi, " disse Weisman. "Le loro vite sono ordini di grandezza maggiori degli stati eccitati di singoletto, in modo che possano rimanere in giro abbastanza a lungo da imbattersi in qualcos'altro e subire reazioni chimiche.

"Ma poiché gli stati di tripletto di nanotubi non emettono luce o assorbono direttamente la luce molto bene, sono difficili da studiare e non si sa molto su di loro, " ha detto. "Quello che abbiamo fatto è cercare di capirli un po' meglio."

L'attivazione della fluorescenza richiedeva ancora un passaggio aggiuntivo. "Solo per agitazione termica casuale nei loro dintorni, questi ragazzi a volte possono essere spinti fino allo stato di canottiera brillante, e poi possono dirti che sono lì sputando un fotone, "Ha detto Weismann.

Poiché lo stato di tripletta può durare circa 10 microsecondi, quell'emissione convertita è chiamata fluorescenza ritardata.

I ricercatori hanno dovuto trovare un modo per rilevare l'effetto relativamente debole in mezzo alla brillante fluorescenza primaria dei nanotubi. "Era come cercare di vedere un oggetto poco luminoso subito dopo essere stato accecato da un flash luminoso della fotocamera, "Ha detto Weisman. "Abbiamo dovuto escogitare una strumentazione speciale."

Un dispositivo "è fondamentalmente un otturatore meccanico veloce" che copre lo spettrometro a infrarossi a onde corte (SWIR) durante il flash luminoso e poi si apre rapidamente, una sorta di telecamera retromarcia che passa da coperta ad aperta in sette microsecondi. L'altro dispositivo, Egli ha detto, è un rivelatore sensibile che viene attivato con un segnale elettronico e misura come l'emissione debole svanisce nel tempo. "Questi sistemi sono stati entrambi costruiti da Ching-Wei, che è un fantastico sperimentatore, " Egli ha detto.

Weisman e colleghi hanno impiegato la fluorescenza dei nanotubi nelle tecnologie di imaging medico e nella pelle intelligente basata su nanotubi per misurare la deformazione nelle superfici, tra le altre applicazioni. Ha detto che la nuova scoperta potrebbe alla fine trovare la sua strada nell'optoelettronica e nell'energia solare.

"Non c'è un passaggio diretto in cui qualcuno leggerà questo e ne creerà uno nuovo, dispositivo più efficiente, " Weisman ha detto. "Ma questa conoscenza fondamentale dei processi e delle proprietà è il fondamento su cui sono costruite le nuove tecnologie".