Il progresso tecnologico è spesso guidato dalla scienza dei materiali. I dispositivi ad alta tecnologia richiedono materiali "intelligenti" che combinano una gamma di proprietà. Un esempio attuale impressionante sono i nanotubi di carbonio (CNT), singoli fogli di atomi di carbonio arrotolati in un cilindro. Questi tubi ultrasottili hanno un'enorme resistenza meccanica e conduttività elettrica. Inoltre emettono luce fluorescente a infrarossi, rendendoli rilevabili. Questo li rende materiali interessanti per la futura tecnologia di bio-imaging, ma il meccanismo si è dimostrato sorprendentemente sfuggente.
La frequenza della luce infrarossa emessa dai CNT viene spostata quando le molecole organiche sono attaccate all'esterno dei tubi. Ciò fornisce un modo per "sintonizzare" la fluorescenza a seconda dello scopo richiesto. Però, l'origine dello spostamento di frequenza è difficile da indagare, perché solo poche molecole sono effettivamente posizionate sui tubi. I metodi standard quindi faticano a individuarli:un compito del tipo ago nel pagliaio.
Ora, un trio di ricercatori dell'Università giapponese di Kyushu ha compiuto progressi nella comprensione di questi cambiamenti di frequenza a livello atomico. In uno studio pubblicato su Nanoscala , riferiscono di usare la tecnica della spettro-elettrochimica, applicando un potenziale elettrico ("elettro") a un materiale fluorescente, e misurare l'emissione di luce risultante ("spettro"). L'uso dell'elettricità rivela i livelli di energia degli elettroni nei CNT, cioè, gli orbitali intorno agli atomi. Questo è fondamentale, perché la fluorescenza consiste di elettroni "eccitati" che si spostano da un orbitale all'altro, quindi rilasciando energia sotto forma di luce.
"La frequenza della fluorescenza dei CNT dipende dai divari tra i livelli di energia degli elettroni, " spiegano gli autori principali. "Queste lacune dipendono a loro volta da quali elementi sono legati all'esterno dei nanotubi. Per esempio, abbiamo scoperto che le molecole contenenti bromo hanno spinto i livelli di energia più vicini tra loro rispetto alle molecole con idrogeno nella stessa posizione".
Questo restringe il divario, principalmente aumentando l'orbitale più alto occupato, avvicinandolo agli orbitali vuoti sopra di esso e produce una fluorescenza con una frequenza inferiore.
I cambiamenti misurati negli stati elettronici erano coerenti con gli spostamenti fluorescenti. Ciò ha confermato che i livelli di energia degli elettroni erano la chiave per la sintonizzazione della frequenza, consentendo ai ricercatori di escludere una spiegazione alternativa basata sulla stabilità degli elettroni eccitati. Sembra che l'effetto sia causato principalmente dal campo elettrico, o dipolo, che viene generato quando le molecole sono legate ai CNT. Questo campo, a sua volta, dipende dalla capacità di quelle molecole di allontanare gli elettroni dal carbonio nei nanotubi.
"I CNT fluorescenti potrebbero svolgere un ruolo enorme nella biomedicina, " dicono gli autori. "Il nostro metodo di studio, basata sull'elettrochimica, consentirà ai ricercatori di comprendere i materiali fluorescenti in tutti i dettagli elettronici. Nel futuro prossimo, questo aprirà la strada alla messa a punto dei CNT, sia in termini di frequenza ottica che di luminosità, mediante una decorazione chimica accuratamente diretta."
L'articolo, "Effetti dei sostituenti sugli stati redox dei nanotubi di carbonio a parete singola funzionalizzati localmente rivelati dalla spettroelettrochimica di fotoluminescenza in situ, " è stato pubblicato in Nanoscala .
