Como demuestran los físicos de la Universidad Ludwig Maximilian de Munich en un nuevo estudio, Las propiedades ópticas y fotocatalíticas de los denominados puntos de carbono pueden ajustarse con precisión controlando las posiciones de los átomos de nitrógeno introducidos en su estructura.

Gracias a sus inusuales propiedades ópticas, Las partículas de carbono con diámetros del orden de unos pocos nanómetros, los denominados puntos C, son muy prometedoras para una amplia gama de aplicaciones tecnológicas. tan diverso como la conversión de energía y la bioimagen. Es más, Los puntos C tienen varias ventajas prácticas sobre materiales comparables en la medida en que son fáciles de fabricar, estable y no contiene metales pesados ​​tóxicos. Su versatilidad se debe en gran parte al hecho de que, dependiendo de su composición química y aspectos de su compleja estructura, pueden actuar como emisores de luz en forma de fotoluminiscencia o funcionar como fotocatalizadores al absorber energía luminosa y desencadenar reacciones químicas. como la división del agua. Sin embargo, los factores que determinan estas capacidades dispares no se comprenden bien. Ahora, los físicos de LMU dirigidos por el Dr. Jacek Stolarczyk han examinado más de cerca los mecanismos que subyacen a estas propiedades tan diferentes. Su estudio, que aparece en línea en la revista Comunicaciones de la naturaleza , muestra que las características fisicoquímicas de estos nanomateriales pueden ajustarse de forma sencilla y precisa mediante la introducción de átomos de nitrógeno en su compleja estructura química de forma controlada.

"Hasta ahora, Los puntos C normalmente se han optimizado sobre la base del principio de prueba y error, "dice Stolarczyk." Para ir más allá de esta etapa, es fundamental obtener una comprensión detallada de los mecanismos que subyacen a sus diversas características ópticas ". El estudio se llevó a cabo como parte del proyecto interdisciplinario" Solar Technologies Go Hybrid "(SolTech) coordinado por el Prof. Jochen Feldmann. SolTech está financiado por el Estado de Baviera para explorar conceptos innovadores para la transformación de la radiación solar en electricidad y el uso de materiales no fósiles, y preferiblemente no tóxico y disponible en abundancia, fuentes de combustible para el almacenamiento de energía. Los puntos C son, en muchos aspectos, ideales para tales aplicaciones.

Los puntos C están formados por redes de compuestos de carbono aromáticos policíclicos, cuyas complejas interacciones determinan cómo reaccionan a la luz. En el nuevo estudio, los investigadores de Munich sintetizaron sus puntos C combinando ácido cítrico como un esqueleto de carbono con un ramificado, polímero que contiene nitrógeno, e irradiar la mezcla con microondas. En una serie de experimentos, Variaron sistemáticamente la concentración del polímero en la mezcla, de manera que se incorporaron diferentes cantidades de nitrógeno a las redes de carbono. Descubrieron que las condiciones precisas utilizadas tenían un impacto crítico en el modo de incorporación de nitrógeno en las redes de carbono que forman los puntos C, es decir, si sustituyó a uno de los átomos de carbono que forman los anillos de carbono de 6 miembros interconectados que se asemejan a pequeñas escamas de grafeno, o en los anillos de 5 y 6 miembros que se encuentran en los bordes libres de las estructuras aromáticas.

"Nuestra investigación mostró que el entorno químico de los átomos de nitrógeno incorporados tiene una influencia crucial en las propiedades de los puntos C resultantes, "dice el Dr. Santanu Bhattacharyya, el primer autor del artículo y miembro Alexander-von-Humboldt en el grupo de investigación del profesor Jochen Feldmann. Incorporación dentro de las estructuras similares al grafeno, encontrado en concentraciones intermedias de polímero, condujo a los puntos que emiten predominantemente fotoluminiscencia azul cuando se irradian con luz de una longitud de onda adecuada. Por otra parte, incorporación en posiciones de borde, encontrado para cantidades muy altas o muy bajas del polímero, suprimió la fotoluminiscencia y dio como resultado puntos C que redujeron fotocatalíticamente el agua a hidrógeno. En otras palabras, las propiedades ópticas de los puntos C se pueden modificar a voluntad variando los detalles del procedimiento utilizado para sintetizarlos. Los miembros del equipo de LMU creen que sus conocimientos más recientes estimularán un mayor trabajo sobre el uso de estos intrigantes nanomateriales. tanto como fuentes de luz fotoluminiscentes como fotocatalizadores en procesos de conversión de energía.