Gli scienziati hanno imparato a posizionare i difetti cristallini in nuovi materiali con precisione su scala atomica. Ciò consente materiali in grado di controllare gli eccitoni, vettori di energia simili alle particelle subatomiche. Una nuova ricerca mostra che, attaccando con precisione composti chimici specifici a una superficie di nanotubi di carbonio, gli scienziati possono creare pozzi energetici locali che "catturano" gli eccitoni. I pozzi abbassano lo stato energetico degli eccitoni. Ciò impedisce la perdita della loro energia sotto forma di calore e controlla il colore della luce che emettono.

Piccoli ma profondi miglioramenti guidano ogni generazione di innovazioni nelle telecomunicazioni ottiche. I nuovi materiali dei componenti consentono ai dispositivi di essere più piccoli, più efficiente, e più preciso. Però, questi materiali funzionano meglio quando i ricercatori li progettano e li costruiscono da blocchi di costruzione su scala nanometrica. Questi minuscoli mattoncini sono larghi solo miliardesimi di metro. Questi materiali offrono più brillante, emissione di luce più controllata e più vicina allo spettro infrarosso richiesto per le telecomunicazioni.

I nanotubi sono cilindri cavi di fogli di carbonio legati esagonali che hanno uno spessore di un solo atomo. Il loro elettrico, elastico, termico, e le proprietà ottiche sono particolarmente interessanti per i materiali avanzati per le telecomunicazioni. La sfida è stata che i nanotubi di carbonio a parete singola tendono a emettere luce in modo inefficiente e all'estremità blu meno utile dello spettro delle onde luminose. Questi fattori li rendono meno adatti alle telecomunicazioni. L'inefficienza deriva dal rapido movimento di elettroni eccitati (o "eccitoni") attraverso la superficie dei nanotubi. Questi eccitoni decadono e perdono la loro energia sotto forma di calore quando incontrano difetti strutturali naturali sulla superficie. I nanotubi eccitati otticamente utili devono quindi ridurre al minimo la produzione di calore, massimizzare l'emissione di luce, e produrre luce più vicina allo spettro infrarosso rilevante per le telecomunicazioni. Il collegamento di gruppi chimici specifici alla superficie del nanotubo modifica il potenziale panorama energetico creando "pozzi di energia" lungo la superficie del nanotubo. I pozzetti attirano gli eccitoni di superficie fluttuanti e li intrappolano in aree lunghe pochi nanometri. Poiché gli elettroni eccitati non possono muoversi liberamente, sono "costretti" a rilasciare energia sotto forma di luce piuttosto che di calore. Gli eccitoni intrappolati hanno anche uno stato energetico inferiore, che "sposta verso il rosso" le onde luminose emesse più vicino alla parte infrarossa desiderata dello spettro.

In questo studio, scienziati del Centro per le nanotecnologie integrate, una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'Energia (DOE), ei loro coautori hanno testato tre nuovi tipi di gruppi chimici su nanotubi di carbonio a parete singola. I ricercatori hanno creato modelli teorici di strutture su scala atomica che hanno ottimizzato il posizionamento di legami chimici stabili per massimizzare l'emissione ottica dei nanotubi. Hanno verificato sperimentalmente i risultati, fornendo una prova diretta che le superfici modificate hanno migliorato l'emissione di luce. Questa innovazione aiuterà i futuri team a creare funzioni ottiche più finemente sintonizzate in nanotubi modificati chimicamente.

I risultati sono stati pubblicati in Chimica dei materiali .