(PhysOrg.com) - Los investigadores de la Universidad de Rice han descubierto qué da a los nanotubos de sillón sus colores brillantes únicos:objetos similares al hidrógeno llamados excitones.

Sus hallazgos aparecen en la edición en línea de la Revista de la Sociedad Química Estadounidense.

Los nanotubos de carbono de sillón, llamados así por la configuración en forma de "U" de los átomos en sus puntas descubiertas, son metales unidimensionales y no tienen banda prohibida. Esto significa que los electrones fluyen de un extremo al otro con poca resistividad, la misma propiedad que algún día puede hacer posible los cables cuánticos de sillón.

Los investigadores de Rice muestran que los nanotubos de los sillones absorben la luz como semiconductores. Un electrón pasa de un estado inmóvil a un estado conductor absorbiendo fotones y dejando atrás un "agujero cargado positivamente". "dijo el físico de Rice Junichiro Kono. El nuevo par electrón-agujero forma un excitón, que tiene una carga neutra.

"Los excitones se crean mediante la absorción de una determinada longitud de onda de luz, ", dijo el estudiante de posgrado y autor principal Erik Hároz." Lo que ve tu ojo es la luz que queda; los nanotubos eliminan una parte del espectro visible ". El diámetro del nanotubo determina qué partes del espectro visible se absorben; esta absorción explica el arco iris de colores que se ven entre los diferentes lotes de nanotubos.

Los científicos se han dado cuenta de que las nanopartículas de oro y plata pueden manipularse para reflejar tonos brillantes, una propiedad que permite a los artesanos que no tienen nociones de "nano" crear vidrieras para las catedrales medievales. Dependiendo de su tamaño, las partículas absorbieron y emitieron luz de colores particulares debido a un fenómeno conocido como resonancia de plasma.

En tiempos más recientes, los investigadores notaron nanopartículas semiconductoras, también conocidos como puntos cuánticos, muestran colores determinados por sus espacios de banda dependientes del tamaño.

Pero la resonancia de plasma ocurre en longitudes de onda fuera del espectro visible en nanotubos de carbono metálico. Y los nanotubos de sillón no tienen huecos de banda.

El laboratorio de Kono finalmente determinó que los excitones son la fuente del color en lotes de nanotubos puros de sillón suspendidos en una solución.

Los resultados parecen contrarios a la intuición, Kono dijo, porque los excitones son característicos de los semiconductores, no metales. Kono es profesor de ingeniería eléctrica e informática y de física y astronomía.

Si bien los nanotubos de sillón no tienen espacios de banda, tienen una estructura electrónica única que favorece determinadas longitudes de onda para la absorción de la luz, él dijo.

"En nanotubos de sillón, las bandas de conducción y valencia se tocan, "Dijo Kono." La unidimensionalidad, combinado con su dispersión de energía única, lo convierte en un metal. Pero las bandas desarrollan lo que se llama una singularidad de van Hove, "que aparece como un pico en la densidad de estados en un sólido unidimensional." Así que hay muchos estados electrónicos concentrados alrededor de esta singularidad ".

La resonancia de excitón tiende a ocurrir alrededor de estas singularidades cuando se golpea con luz, y cuanto más fuerte es la resonancia, cuanto más distinguido es el color. "Es una cualidad inusual de estos materiales unidimensionales particulares que estos excitones realmente puedan existir, ", Dijo Hároz." En la mayoría de los metales, eso no es posible; no hay suficiente interacción de Coulomb entre el electrón y el agujero para que un excitón sea estable ".

El nuevo documento sigue los pasos del trabajo de Kono y su equipo para crear lotes de nanotubos de carbono de pared simple puros mediante ultracentrifugación. En ese proceso, Los nanotubos se hilaron en una mezcla de soluciones con diferentes densidades hasta 250, 000 veces la fuerza de la gravedad. Los tubos gravitaron naturalmente hacia soluciones separadas que coincidían con sus propias densidades para crear un colorido "nano parfait".

Como subproducto de su trabajo actual, los investigadores demostraron su capacidad para producir nanotubos de sillón purificados a partir de una variedad de técnicas de síntesis. Ahora esperan ampliar su investigación sobre las propiedades ópticas de los sillones más allá de la luz visible. "Por último, nos gustaría hacer un espectro colectivo que incluya rangos de frecuencia desde ultravioleta hasta terahercios, "Dijo Hároz." A partir de eso, Podemos saber, ópticamente, casi todo sobre estos nanotubos ".