Que los nanotubos de carbono sean fluorescentes ya no es una sorpresa. Encontrar un segundo nivel de fluorescencia es sorprendente y potencialmente útil.

¿Como funciona? Espéralo.

El laboratorio de la Universidad Rice de Bruce Weisman, profesor de química que lideró el descubrimiento pionero de la fluorescencia de nanotubos en 2002, descubrió que los nanotubos de pared simple emiten una fluorescencia secundaria retardada cuando se activan mediante un proceso de varios pasos en una solución con moléculas de tinte y oxígeno disuelto.

El retraso es de solo microsegundos, pero es suficiente para ser detectado con un poco de esfuerzo.

Weisman detalla el complejo proceso, la autora principal y ex alumna de Rice, Ching-Wei Lin, y el científico investigador Sergei Bachilo en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

La reacción comienza cuando la luz excita una solución que contiene un tinte llamado rosa de bengala. Las moléculas de oxígeno disueltas en la solución capturan energía del tinte, formando una forma energizada de O2. Estos luego transfieren su energía a nanotubos, donde los excitones (cuasipartículas hechas de electrones y huecos de electrones) se generan en su estado triplete. Con un poco de energía térmica añadida, esos excitones se promueven a un estado singlete de mayor energía que emite la fluorescencia observada.

"Por un numero de años, hemos estado observando efectos interesantes que involucran nanotubos y oxígeno, ", Dijo Weisman." Hemos encontrado una gran variedad de cosas que pueden suceder, de efectos físicos como esta transferencia de energía o la extinción reversible de la fluorescencia, al desencadenamiento de reacciones químicas entre nanotubos y ADN. Así que este estudio fue parte de un programa de exploración más amplio ".

Su capacidad para excitar moléculas de oxígeno disuelto llevó a los investigadores a ver cómo afectaría eso a los nanotubos adyacentes. Dijo Weisman.

"Producimos oxígeno singlete excitando una molécula de tinte con luz visible, y luego el oxígeno desactiva el tinte y se excita, ", dijo." Esa idea se remonta a décadas en fotofísica y es muy convencional. Lo que es inusual aquí es que el oxígeno singlete interactúa con el nanotubo para producir directamente excitaciones en estado triplete en el tubo. Esos estados de tripletes han sido bastante esquivos.

"Los estados triplete de moléculas orgánicas son los estados excitados de mayor duración, ", Dijo Weisman." Sus vidas son órdenes de magnitud mayores que los estados excitados de singlete, para que puedan quedarse el tiempo suficiente como para chocar con otra cosa y sufrir reacciones químicas.

"Pero debido a que los estados de triplete de nanotubos no emiten luz ni absorben la luz directamente muy bien, son difíciles de estudiar y no se sabe demasiado sobre ellos, ", dijo." Lo que hemos estado haciendo es tratar de entenderlos un poco mejor ".

La activación de la fluorescencia aún requería un paso adicional. "Solo por agitación térmica aleatoria en su entorno, estos chicos a veces pueden ser impulsados ​​al estado de camiseta brillante, y luego pueden decirte que están ahí escupiendo un fotón, "Dijo Weisman.

Debido a que el estado de triplete puede durar 10 microsegundos más o menos, esa emisión de conversión ascendente se llama fluorescencia retardada.

Los investigadores tuvieron que encontrar una manera de detectar el efecto relativamente débil en medio de la brillante fluorescencia primaria de los nanotubos. "Fue como tratar de ver un objeto oscuro justo después de haber sido cegado por el flash de una cámara brillante, ", Dijo Weisman." Tuvimos que idear una instrumentación especial ".

Un dispositivo "es básicamente un obturador mecánico rápido" que cubre el espectrómetro de infrarrojos de onda corta (SWIR) durante el destello brillante y luego se abre rápidamente. una especie de cámara de marcha atrás que va de tapada a abierta en siete microsegundos. El otro dispositivo, él dijo, es un detector sensible que se activa con una señal electrónica y mide cómo la emisión débil se desvanece con el tiempo. "Ambos sistemas fueron construidos por Ching-Wei, que es un gran experimentalista, " él dijo.

Weisman y sus colegas han empleado la fluorescencia de nanotubos en tecnologías de imágenes médicas y en piel inteligente basada en nanotubos para medir la tensión en superficies. entre otras aplicaciones. Dijo que el nuevo descubrimiento eventualmente podría encontrar su camino hacia la optoelectrónica y la energía solar.

"No hay un paso directo en el que alguien lea esto y cree una nueva dispositivo más eficiente, ", Dijo Weisman." Pero este conocimiento fundamental de los procesos y propiedades es la base sobre la que se construyen las nuevas tecnologías ".