Le proprietà dei nanomateriali a base di carbonio possono essere alterate e ingegnerizzate attraverso l'introduzione deliberata di determinate "imperfezioni" o difetti strutturali. La sfida, però, è quello di controllare il numero e il tipo di questi difetti. Nel caso dei nanotubi di carbonio, composti tubolari microscopicamente piccoli che emettono luce nel vicino infrarosso, i chimici e gli scienziati dei materiali dell'Università di Heidelberg guidati dalla prof.ssa Jana Zaumseil hanno ora dimostrato un nuovo percorso di reazione per consentire tale controllo dei difetti. Risulta in specifici difetti otticamente attivi, i cosiddetti difetti sp3, che sono più luminescenti e possono emettere singoli fotoni, questo è, particelle di luce. L'emissione efficiente della luce nel vicino infrarosso è importante per le applicazioni nelle telecomunicazioni e nell'imaging biologico.

Di solito i difetti sono considerati qualcosa di "cattivo" che influisce negativamente sulle proprietà di un materiale, rendendolo meno perfetto. Però, in alcuni nanomateriali come i nanotubi di carbonio queste "imperfezioni" possono risultare in qualcosa di "buono" e abilitare nuove funzionalità. Qui, il tipo preciso di difetti è cruciale. I nanotubi di carbonio sono costituiti da fogli arrotolati di un reticolo esagonale di atomi di carbonio sp2, come si trovano anche nel benzene. Questi tubi cavi hanno un diametro di circa un nanometro e sono lunghi fino a diversi micrometri.

Attraverso alcune reazioni chimiche, alcuni atomi di carbonio sp2 del reticolo possono essere trasformati in carbonio sp3, che si trova anche nel metano o nel diamante. Questo cambia la struttura elettronica locale del nanotubo di carbonio e si traduce in un difetto otticamente attivo. Questi difetti sp3 emettono luce ancora di più nel vicino infrarosso e sono complessivamente più luminescenti dei nanotubi che non sono stati funzionalizzati. A causa della geometria dei nanotubi di carbonio, la posizione precisa degli atomi di carbonio sp3 introdotti determina le proprietà ottiche dei difetti. "Sfortunatamente, finora c'è stato pochissimo controllo su quali difetti si formano, "dice Jana Zaumseil, che è professore presso l'Istituto di chimica fisica e membro del Centro per i materiali avanzati dell'Università di Heidelberg.

La scienziata di Heidelberg e il suo team hanno recentemente dimostrato un nuovo percorso di reazione chimica che consente il controllo dei difetti e la creazione selettiva di un solo tipo specifico di difetto sp3. Questi difetti otticamente attivi sono "migliori" di qualsiasi delle "imperfezioni" precedentemente introdotte. Non solo sono più luminescenti, mostrano anche l'emissione di un singolo fotone a temperatura ambiente, Spiega il prof. Zaumseil. In questo processo, viene emesso un solo fotone alla volta, che è un prerequisito per la crittografia quantistica e le telecomunicazioni altamente sicure.

Secondo Simon Settele, uno studente di dottorato nel gruppo di ricerca del Prof. Zaumseil e il primo autore del documento che riporta questi risultati, questo nuovo metodo di funzionalizzazione, un'aggiunta nucleofila, è molto semplice e non richiede alcuna attrezzatura speciale. "Stiamo appena iniziando a esplorare le potenziali applicazioni. Molti aspetti chimici e fotofisici sono ancora sconosciuti. Tuttavia, l'obiettivo è creare difetti ancora migliori."

Questa ricerca fa parte del progetto "Trions and sp3-Defects in Single-walled Carbon Nanotubi for Optoelectronics" (TRIFECTs), guidato dal Prof. Zaumseil e finanziato da un ERC Consolidator Grant del Consiglio Europeo della Ricerca (ERC). Il suo obiettivo è comprendere e progettare le proprietà elettroniche e ottiche dei difetti nei nanotubi di carbonio.

"Le differenze chimiche tra questi difetti sono sottili e la configurazione di legame desiderata di solito si forma solo in una minoranza di nanotubi. Essere in grado di produrre un gran numero di nanotubi con un difetto specifico e con densità di difetti controllate apre la strada a dispositivi optoelettronici e sorgenti a singolo fotone pompate elettricamente, che sono necessarie per future applicazioni nella crittografia quantistica, " dice il prof. Zaumseil.