Questa immagine al microscopio elettronico a trasmissione mostra un punto quantico di grafene con bordi a zigzag. I punti quantici possono essere creati alla rinfusa dalla fibra di carbonio attraverso un processo chimico scoperto alla Rice University. (Credito:Ajayan Lab/Rice University)
Un laboratorio della Rice University ha trovato un modo per trasformare la comune fibra di carbonio in punti quantici di grafene, minuscoli granelli di materia con proprietà che dovrebbero rivelarsi utili in elettronica, applicazioni ottiche e biomediche.
Il laboratorio di riso dello scienziato dei materiali Pulickel Ajayan, in collaborazione con i colleghi in Cina, India, Giappone e il Texas Medical Center, ha scoperto un processo chimico in un solo passaggio che è notevolmente più semplice delle tecniche consolidate per creare punti quantici di grafene. I risultati sono stati pubblicati online questo mese sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere .
"Ci sono stati diversi tentativi di creare punti quantici a base di grafene con proprietà elettroniche e luminescenti specifiche utilizzando la degradazione chimica o la litografia a fascio elettronico di strati di grafene, " ha detto Ajayan, Benjamin M. di Rice e Mary Greenwood Anderson Professori di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e di chimica. "Pensavamo che, poiché questi nanodomini di carbonio grafitato esistono già nelle fibre di carbonio, che costano poco e sono abbondanti, perché non usarli come precursori?"
punti quantici, scoperto negli anni '80, sono semiconduttori che contengono un gap di banda dipendente dalle dimensioni e dalla forma. Queste sono state strutture promettenti per applicazioni che vanno dai computer, LED, celle solari e laser ai dispositivi di imaging medico. I punti quantici a base di carbonio sub-5 nanometri prodotti alla rinfusa attraverso il processo chimico umido scoperto a Rice sono altamente solubili, e la loro dimensione può essere controllata tramite la temperatura alla quale vengono creati.
Punti quantici di grafene fluorescente verde creati alla Rice University circondano un nucleo colorato di blu in una cellula di cancro al seno umano. Le cellule sono state poste in una soluzione con i punti quantici per quattro ore. I punti, ciascuno inferiore a 5 nanometri, passa facilmente attraverso le membrane cellulari, mostrando il loro potenziale valore per il bioimaging. (Credito:Ajayan Lab/Rice University)
I ricercatori della Rice stavano tentando un altro esperimento quando si sono imbattuti nella tecnica. "Abbiamo cercato di ossidare selettivamente la fibra di carbonio, e abbiamo scoperto che era davvero difficile, " disse Wei Gao, uno studente laureato Rice che ha lavorato al progetto con l'autore principale Juan Peng, uno studente in visita dell'Università di Nanchino che ha studiato nel laboratorio di Ajayan l'anno scorso. "Abbiamo trovato una soluzione e abbiamo deciso di esaminare alcune gocce con un microscopio elettronico a trasmissione".
I granelli che hanno visto erano frammenti di grafene o, più precisamente, nanodomini ossidati di grafene estratti tramite trattamento chimico della fibra di carbonio. "È stata una sorpresa completa, " Gao ha detto. "Li chiamiamo punti quantici, ma sono bidimensionali, quindi quello che abbiamo veramente qui sono i dischi quantici di grafene". Gao ha affermato che altre tecniche sono costose e richiedono settimane per produrre piccoli lotti di punti quantici di grafene. "Il nostro materiale di partenza è economico, fibra di carbonio disponibile in commercio. In un trattamento in un'unica fase, otteniamo una grande quantità di punti quantici. Penso che questo sia il più grande vantaggio del nostro lavoro, " lei disse.
Le macchie scure su una griglia di un microscopio elettronico a trasmissione sono punti quantici di grafene realizzati attraverso un processo chimico a umido presso la Rice University. L'inserto è un primo piano di un punto. I punti quantici di grafene possono trovare impiego in elettronica, applicazioni ottiche e biomediche. (Credito:Ajayan Lab/Rice University)
Ulteriori sperimentazioni hanno rivelato informazioni interessanti:la dimensione dei punti, e quindi le loro proprietà fotoluminescenti, potrebbe essere controllato attraverso la lavorazione a temperature relativamente basse, da 80 a 120 gradi Celsius. "A 120, 100 e 80 gradi, siamo diventati blu, punti luminescenti verdi e gialli, " lei disse.
Hanno anche scoperto che i bordi dei punti tendevano a preferire la forma nota come zigzag. Il bordo di un foglio di grafene - la forma di carbonio spessa un atomo - determina le sue caratteristiche elettriche, e gli zigzag sono semiconduttori.
Le loro proprietà luminescenti danno ai punti quantici di grafene il potenziale per l'imaging, analisi delle proteine, monitoraggio cellulare e altre applicazioni biomediche, ha detto Gao. I test presso il MD Anderson Cancer Center di Houston e il Baylor College of Medicine su due linee di cancro al seno umano hanno mostrato che i punti si sono facilmente infiltrati nel citoplasma delle cellule e non hanno interferito con la loro proliferazione.
"I punti quantici verdi hanno prodotto un'immagine molto buona, " ha detto la co-autrice Rebeca Romero Aburto, uno studente laureato presso l'Ajayan Lab che studia anche al MD Anderson. "Il vantaggio dei punti di grafene rispetto ai fluorofori è che la loro fluorescenza è più stabile e non fotosbiancano. Non perdono facilmente la loro fluorescenza. Hanno un limite di profondità, quindi possono essere utili per studi in vitro e in vivo (piccoli animali), ma forse non ottimale per i tessuti profondi negli esseri umani.
"Ma tutto deve iniziare in laboratorio, e questi potrebbero essere un approccio interessante da esplorare ulteriormente per il bioimaging, " Disse Romero Alburto. "In futuro, questi punti quantici di grafene potrebbero avere un impatto elevato perché possono essere coniugati con altre entità per applicazioni di rilevamento, pure."
