Come dimostrano i fisici dell'Università Ludwig Maximilian di Monaco di Baviera in un nuovo studio, le proprietà ottiche e fotocatalitiche dei cosiddetti punti di carbonio possono essere regolate con precisione controllando le posizioni degli atomi di azoto introdotti nella loro struttura.

Grazie alle loro insolite proprietà ottiche, particelle di carbonio con diametri dell'ordine di pochi nanometri - i cosiddetti punti C - mostrano grandi promesse per una vasta gamma di applicazioni tecnologiche, tanto diversi quanto la conversione energetica e il bio-imaging. Inoltre, I punti C hanno diversi vantaggi pratici rispetto a materiali comparabili in quanto sono facili da fabbricare, stabile e non contiene metalli pesanti tossici. La loro versatilità è in gran parte dovuta al fatto che - a seconda della loro composizione chimica e degli aspetti della loro complessa struttura - possono agire come emettitori di luce sotto forma di fotoluminescenza o funzionare come fotocatalizzatori assorbendo energia luminosa e innescando reazioni chimiche, come la scissione dell'acqua. Però, i fattori che determinano queste disparate capacità non sono ben compresi. Ora i fisici LMU guidati dal Dr. Jacek Stolarczyk hanno esaminato più da vicino i meccanismi alla base di queste proprietà molto diverse. Il loro studio, che appare online sulla rivista Comunicazioni sulla natura , mostra che le caratteristiche fisico-chimiche di questi nanomateriali possono essere regolate in modo semplice e preciso introducendo atomi di azoto nella loro complessa struttura chimica in modo controllato.

"Fino ad ora, I punti C sono stati tipicamente ottimizzati sulla base del principio di tentativi ed errori, " dice Stolarczyk. "Per superare questo stadio, è essenziale ottenere una comprensione dettagliata dei meccanismi che stanno alla base delle loro diverse caratteristiche ottiche." Lo studio è stato condotto nell'ambito del progetto interdisciplinare "Solar Technologies Go Hybrid" (SolTech) coordinato dal Prof. Jochen Feldmann. SolTech è finanziato da lo Stato della Baviera per esplorare concetti innovativi per la trasformazione della radiazione solare in elettricità e l'uso di non fossili, e preferibilmente non tossico e abbondantemente disponibile, fonti di combustibile per lo stoccaggio di energia. I punti C sono per molti aspetti ideali per tali applicazioni.

I punti C sono costituiti da reti di composti policiclici aromatici del carbonio, le cui complesse interazioni determinano come reagiscono alla luce. Nel nuovo studio, i ricercatori di Monaco hanno sintetizzato i loro punti C combinando l'acido citrico come scheletro di carbonio con un ramificato, polimero contenente azoto, e irradiando la miscela con microonde. In una serie di esperimenti, variavano sistematicamente la concentrazione del polimero nella miscela, tale che diverse quantità di azoto sono state incorporate nelle reti di carbonio. Hanno scoperto che le condizioni precise utilizzate hanno avuto un impatto critico sulla modalità di incorporazione dell'azoto nei reticoli di carbonio che compongono i punti C, cioè se ha sostituito uno degli atomi di carbonio che formano gli anelli di carbonio a 6 membri interconnessi che assomigliano a minuscoli fiocchi di grafene, oppure negli anelli a 5 e 6 membri che si trovano sui bordi liberi delle strutture aromatiche.

"La nostra indagine ha mostrato che l'ambiente chimico degli atomi di azoto incorporati ha un'influenza cruciale sulle proprietà dei punti C risultanti, "dice il dottor Santanu Bhattacharyya, il primo autore dell'articolo e membro di Alexander-von-Humboldt nel gruppo di ricerca del professor Jochen Feldmann. Incorporazione all'interno delle strutture simili al grafene, trovato a concentrazioni polimeriche intermedie, ha portato ai punti che emettono prevalentemente fotoluminescenza blu quando irradiati con luce di una lunghezza d'onda adeguata. D'altra parte, incorporazione in posizioni di bordo, trovato per quantità molto elevate o molto basse del polimero, ha soppresso la fotoluminescenza e ha prodotto punti C che hanno invece ridotto fotocataliticamente l'acqua in idrogeno. In altre parole, le proprietà ottiche dei punti C possono essere modificate a piacimento variando i dettagli della procedura utilizzata per sintetizzarli. I membri del team LMU ritengono che le loro ultime intuizioni stimoleranno ulteriori lavori sull'uso di questi intriganti nanomateriali, sia come sorgenti luminose fotoluminescenti che come fotocatalizzatori nei processi di conversione dell'energia.