Quando i nanotubi semiconduttori sono esposti alla luce, lampeggiano in uno schema apparentemente casuale. Raggruppando i nanotubi insieme, i fisici dell'Università della Pennsylvania hanno dimostrato che il loro tempo combinato "acceso" è aumentato drammaticamente fornendo nuove informazioni su questo misterioso comportamento lampeggiante.

La ricerca è stata condotta dal gruppo della professoressa associata Marija Drndic, tra cui lo studente laureato Siying Wang e i borsisti post-dottorato Claudia Querner e Tali Dadosh, tutto il Dipartimento di Fisica e Astronomia della Penn's School of Arts and Sciences. Hanno collaborato con Catherine Crouch dello Swarthmore College e Dmitry Novikov della School of Medicine della New York University.

La loro ricerca è stata pubblicata sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Quando viene fornito di energia, sia sotto forma di luce, elettricità o determinati prodotti chimici, molti semiconduttori emettono luce. Questo principio è al lavoro nei diodi emettitori di luce, o LED, che si trovano in qualsiasi numero di elettronica di consumo.

Alla macroscala, questa elettroluminescenza è coerente; lampadine a LED, Per esempio, può brillare per anni con una frazione dell'energia utilizzata anche dalle lampadine fluorescenti compatte. Ma quando i semiconduttori vengono ridotti a dimensioni nanometriche, invece di brillare costantemente, si accendono e si spengono in modo imprevedibile, passare dall'emissione di luce all'oscurità per periodi di tempo variabili. Per il decennio da quando questo è stato osservato, molti gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno cercato di scoprire il meccanismo di questo fenomeno, che non è ancora del tutto compreso.

"Il lampeggiamento è stato studiato in molti diversi materiali su nanoscala per oltre un decennio, quanto sorprendente e intrigante, ma sono le statistiche del battito delle palpebre che sono così insolite, "Drndic ha detto. "Questi nanobarre possono essere 'on' e 'off' per tutte le scale di tempo, da un microsecondo a ore. Ecco perché abbiamo lavorato con Dmitry Novikov, che studia i fenomeni stocastici nei sistemi fisici e biologici. Queste insolite statistiche di Levi sorgono quando molti fattori competono tra loro su scale temporali diverse, risultando in un comportamento piuttosto complesso, con esempi che vanno dai terremoti ai processi biologici alle fluttuazioni del mercato azionario".

Drndic e il suo gruppo di ricerca, attraverso una combinazione di tecniche di imaging, hanno dimostrato che il raggruppamento di questi semiconduttori nanorod aumenta notevolmente il loro tempo totale di "accensione" in una sorta di "effetto fuoco da campo". L'aggiunta di un'asta al cluster ha un effetto moltiplicatore sul periodo "on" del gruppo.

"Se metti insieme i nanotubi, se ognuno lampeggia in rari brevi lampi, penseresti che il tempo massimo di "accensione" per il gruppo non sarà molto più grande di quello per un nanorod, poiché le loro esplosioni per lo più non si sovrappongono, " ha detto Novikov. "Ciò che vediamo sono esplosioni "on" molto prolungate quando le nanobarre sono molto vicine tra loro, come se si aiutassero a vicenda a continuare a brillare, o 'bruciare.'"

Il gruppo di Drndic lo ha dimostrato depositando nanotubi di seleniuro di cadmio su un substrato, puntando un laser blu su di loro, quindi riprendendo il video al microscopio ottico per osservare la luce rossa che i nanorod hanno poi emesso. Sebbene quella tecnica fornisse dati su quanto tempo ogni cluster era "attivo, " il team aveva bisogno di utilizzare la microscopia elettronica a trasmissione, o TEM, per distinguere ogni individuo, Asta da 5 nanometri e misurare le dimensioni di ciascun cluster.

Una serie di griglie dorate ha permesso ai ricercatori di etichettare e localizzare singoli cluster di nanorod. Wang ha quindi sovrapposto con precisione circa un migliaio di immagini TEM cucite insieme ai dati di luminescenza che ha preso con il microscopio ottico. I ricercatori hanno osservato "l'effetto fuoco da campo" in ammassi piccoli come due e grandi come 110, quando il cluster ha effettivamente assunto proprietà su macroscala e ha smesso di lampeggiare completamente.

Anche se l'esatto meccanismo che causa questa luminescenza prolungata non può ancora essere individuato, Le scoperte del team di Drndic supportano l'idea che le interazioni tra gli elettroni nel cluster siano alla base dell'effetto.

"Spostando da un'estremità all'altra di un nanorod, o altrimenti cambiando posizione, ipotizziamo che gli elettroni in un bastoncino possano influenzare quelli nei bastoncelli vicini in modi che migliorano la capacità degli altri bastoncini di emettere luce, " Crouch ha detto. "Speriamo che i nostri risultati forniscano informazioni su queste interazioni su nanoscala, oltre ad aiutare a guidare il lavoro futuro per comprendere il lampeggiamento nelle singole nanoparticelle".

Poiché i nanotubi possono essere di un ordine di grandezza inferiori a una cella, ma può emettere un segnale che può essere visto con relativa facilità al microscopio, sono stati a lungo considerati potenziali biomarcatori. Il loro modello incoerente di illuminazione, però, ha limitato la loro utilità.

"I biologi usano i nanocristalli semiconduttori come etichette fluorescenti. Uno svantaggio significativo è che lampeggiano, "Drndic ha detto. "Se il tempo di emissione potrebbe essere esteso a molti minuti, li rende molto più utilizzabili. Con l'ulteriore sviluppo della sintesi, forse i cluster potrebbero essere progettati come etichette migliorate".

La ricerca futura utilizzerà assemblaggi di nanobarre più ordinati e separazioni controllate tra particelle per studiare ulteriormente i dettagli delle interazioni tra particelle.