Esta imagen de microscopio electrónico de transmisión muestra un punto cuántico de grafeno con bordes en zigzag. Los puntos cuánticos se pueden crear a granel a partir de fibra de carbono mediante un proceso químico descubierto en la Universidad de Rice. (Crédito:Ajayan Lab / Rice University)
Un laboratorio de la Universidad de Rice ha encontrado una forma de convertir la fibra de carbono común en puntos cuánticos de grafeno, diminutas partículas de materia con propiedades que se espera sean útiles en electrónica, Aplicaciones ópticas y biomédicas.
El laboratorio de Rice del científico de materiales Pulickel Ajayan, en colaboración con colegas en China, India, Japón y el Centro Médico de Texas, descubrió un proceso químico de un solo paso que es notablemente más simple que las técnicas establecidas para hacer puntos cuánticos de grafeno. Los resultados se publicaron en línea este mes en la revista de la American Chemical Society. Nano letras .
"Ha habido varios intentos de crear puntos cuánticos basados en grafeno con propiedades electrónicas y luminiscentes específicas utilizando la degradación química o la litografía de haz electrónico de capas de grafeno, "dijo Ajayan, Benjamin M. y Mary Greenwood Anderson, profesora de Rice de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales y Química. "Pensamos que como estos nanodominios de carbonos grafitizados ya existen en las fibras de carbono, que son baratos y abundantes, ¿por qué no utilizarlos como precursores? "
Puntos cuánticos, descubierto en la década de 1980, son semiconductores que contienen una banda prohibida que depende del tamaño y la forma. Estas han sido estructuras prometedoras para aplicaciones que van desde computadoras, LEDs, células solares y láseres a dispositivos de imágenes médicas. Los puntos cuánticos basados en carbono de menos de 5 nanómetros producidos a granel a través del proceso químico húmedo descubierto en Rice son altamente solubles, y su tamaño se puede controlar mediante la temperatura a la que se crean.
Los puntos cuánticos de grafeno de fluorescencia verde creados en la Universidad de Rice rodean un núcleo teñido de azul en una célula de cáncer de mama humano. Las células se colocaron en una solución con los puntos cuánticos durante cuatro horas. Los puntos, cada uno de menos de 5 nanómetros, pasa fácilmente a través de las membranas celulares, mostrando su valor potencial para la bioimagen. (Crédito:Ajayan Lab / Rice University)
Los investigadores de Rice estaban intentando otro experimento cuando se encontraron con la técnica. "Intentamos oxidar selectivamente la fibra de carbono, y descubrimos que era muy difícil "dijo Wei Gao, un estudiante graduado de Rice que trabajó en el proyecto con el autor principal Juan Peng, un estudiante visitante de la Universidad de Nanjing que estudió en el laboratorio de Ajayan el año pasado. "Terminamos con una solución y decidimos mirar unas gotas con un microscopio electrónico de transmisión".
Las motas que vieron eran trozos de grafeno o, más precisamente, nanodominios oxidados de grafeno extraídos mediante tratamiento químico de fibra de carbono. "Eso fue una completa sorpresa, "Dijo Gao." Los llamamos puntos cuánticos, pero son bidimensionales, así que lo que realmente tenemos aquí son discos cuánticos de grafeno ". Gao dijo que otras técnicas son costosas y llevan semanas hacer pequeños lotes de puntos cuánticos de grafeno." Nuestro material de partida es barato, fibra de carbono disponible comercialmente. En un tratamiento de un solo paso, obtenemos una gran cantidad de puntos cuánticos. Creo que esa es la mayor ventaja de nuestro trabajo, " ella dijo.
Las manchas oscuras en una cuadrícula de microscopio electrónico de transmisión son puntos cuánticos de grafeno hechos a través de un proceso químico húmedo en la Universidad de Rice. El recuadro es un primer plano de un punto. Los puntos cuánticos de grafeno pueden encontrar uso en electrónica, Aplicaciones ópticas y biomédicas. (Crédito:Ajayan Lab / Rice University)
La experimentación adicional reveló datos interesantes:el tamaño de los puntos, y por tanto sus propiedades fotoluminiscentes, podría controlarse mediante el procesamiento a temperaturas relativamente bajas, de 80 a 120 grados centígrados. "A los 120, 100 y 80 grados, tenemos azul puntos luminiscentes verdes y amarillos, " ella dijo.
También encontraron que los bordes de los puntos tendían a preferir la forma conocida como zigzag. El borde de una hoja de grafeno, la forma de carbono de un solo átomo de espesor, determina sus características eléctricas, y los zigzags son semiconductores.
Sus propiedades luminiscentes dan a los puntos cuánticos de grafeno potencial para la obtención de imágenes, análisis de proteínas, seguimiento celular y otras aplicaciones biomédicas, Dijo Gao. Las pruebas realizadas en el MD Anderson Cancer Center y el Baylor College of Medicine de Houston en dos líneas de cáncer de mama humano mostraron que los puntos encontraron fácilmente su camino hacia el citoplasma de las células y no interfirieron con su proliferación.
"Los puntos cuánticos verdes produjeron una muy buena imagen, "dijo la coautora Rebeca Romero Aburto, estudiante de posgrado en Ajayan Lab que también estudia en MD Anderson. "La ventaja de los puntos de grafeno sobre los fluoróforos es que su fluorescencia es más estable y no se fotoblanquean. No pierden su fluorescencia tan fácilmente. Tienen un límite de profundidad, por lo que pueden ser buenos para estudios in vitro e in vivo (animales pequeños), pero quizás no sea óptimo para tejidos profundos en humanos.
"Pero todo tiene que empezar en el laboratorio, y estos podrían ser un enfoque interesante para explorar más a fondo para la bioimagen, "Romero Alburto dijo." En el futuro, Estos puntos cuánticos de grafeno podrían tener un gran impacto porque se pueden conjugar con otras entidades para aplicaciones de detección, también."
