Lotti di nanotubi arricchiti da poltrone mostrano i loro colori in una serie di tipi diversi. La fiala a sinistra è una miscela di nanotubi direttamente dal forno, sospeso nel liquido. Le fiale a destra mostrano i nanotubi dopo la separazione mediante ultracentrifugazione. Gli eccitoni assorbono la luce in particolari frequenze che dipendono dal diametro del tubo; il mix di colori non assorbiti sono ciò che l'occhio vede. (Credito:Erik Hároz/Rice University)
(PhysOrg.com) -- I ricercatori della Rice University hanno scoperto cosa conferisce ai nanotubi da poltrona i loro colori brillanti unici:oggetti simili all'idrogeno chiamati eccitoni.
I loro risultati appaiono nell'edizione online del Giornale dell'American Chemical Society.
I nanotubi di carbonio delle poltrone, così chiamati per la configurazione a forma di "U" degli atomi sulle loro punte non coperte, sono metalli unidimensionali e non hanno band gap. Ciò significa che gli elettroni fluiscono da un'estremità all'altra con poca resistività, la stessa proprietà che un giorno potrebbe rendere possibili i cavi quantistici da poltrona.
I ricercatori della Rice mostrano che i nanotubi da poltrona assorbono la luce come i semiconduttori. Un elettrone viene promosso da uno stato immobile a uno stato conduttivo assorbendo fotoni e lasciando dietro di sé un "buco" caricato positivamente, " ha detto il fisico di Rice Junichiro Kono. La nuova coppia elettrone-lacuna forma un eccitone, che ha carica neutra.
"Gli eccitoni sono creati dall'assorbimento di una particolare lunghezza d'onda della luce, " ha detto lo studente laureato e autore principale Erik Hároz. "Ciò che il tuo occhio vede è la luce che è rimasta; i nanotubi prendono una porzione dello spettro visibile." Il diametro del nanotubo determina quali parti dello spettro visibile vengono assorbite; questo assorbimento rappresenta l'arcobaleno di colori visto tra i diversi lotti di nanotubi.
Gli scienziati si sono resi conto che le nanoparticelle d'oro e d'argento potrebbero essere manipolate per riflettere tonalità brillanti, una proprietà che ha permesso agli artigiani che non avevano nozioni di "nano" di creare vetrate per cattedrali medievali. A seconda della loro dimensione, le particelle assorbivano ed emettevano luce di particolari colori a causa di un fenomeno noto come risonanza al plasma.
In tempi più recenti, i ricercatori hanno notato nanoparticelle semiconduttrici, noto anche come punti quantici, mostrano i colori determinati dai loro intervalli di banda dipendenti dalle dimensioni.
Ma la risonanza al plasma avviene a lunghezze d'onda al di fuori dello spettro visibile nei nanotubi di carbonio metallici. E i nanotubi da poltrona non hanno band gap.
Il laboratorio di Kono alla fine ha determinato che gli eccitoni sono la fonte del colore in lotti di nanotubi da poltrona puri sospesi in soluzione.
I risultati sembrano controintuitivi, Kono ha detto, perché gli eccitoni sono caratteristici dei semiconduttori, non metalli. Kono è un professore di ingegneria elettrica e informatica e di fisica e astronomia.
Mentre i nanotubi da poltrona non hanno band gap, hanno una struttura elettronica unica che favorisce particolari lunghezze d'onda per l'assorbimento della luce, Egli ha detto.
"Nei nanotubi da poltrona, le bande di conduzione e di valenza si toccano, " disse Kono. "L'unidimensionalità, combinato con la sua unica dispersione di energia, lo rende un metallo. Ma le band sviluppano quella che viene chiamata singolarità di Van Hove, " che appare come un picco nella densità degli stati in un solido unidimensionale. "Quindi ci sono molti stati elettronici concentrati attorno a questa singolarità".
La risonanza degli eccitoni tende a verificarsi attorno a queste singolarità quando viene colpita dalla luce, e più forte è la risonanza, più il colore è distinto. "È una qualità insolita di questi particolari materiali unidimensionali che questi eccitoni possano effettivamente esistere, "Haroz ha detto. "Nella maggior parte dei metalli, non e possibile; non c'è abbastanza interazione coulombiana tra l'elettrone e la lacuna perché un eccitone sia stabile".
Il nuovo documento segue la scia del lavoro di Kono e del suo team per creare lotti di puri nanotubi di carbonio a parete singola attraverso l'ultracentrifugazione. In quel processo, i nanotubi sono stati filati in un mix di soluzioni con diverse densità fino a 250, 000 volte la forza di gravità. I tubi gravitavano naturalmente verso soluzioni separate che corrispondevano alle proprie densità per creare un colorato "nano parfait".
Come sottoprodotto del loro lavoro attuale, i ricercatori hanno dimostrato la loro capacità di produrre nanotubi a poltrona purificati da una varietà di tecniche di sintesi. Ora sperano di estendere la loro indagine sulle proprietà ottiche delle poltrone oltre la luce visibile. "In definitiva, vorremmo creare uno spettro collettivo che includa gamme di frequenza dall'ultravioletto ai terahertz, "Haroz ha detto. "Da questo, possiamo sapere, otticamente, quasi tutto su questi nanotubi."
