La imagen de microscopía de túnel de barrido ordinario de un punto de carbono a la izquierda muestra solo un punto sin rasgos distintivos. El STM de absorción de molécula única resuelto en el tiempo a la derecha revela que la excitación láser se extiende inicialmente por todo el punto de carbono, pero en unos pocos picosegundos la excitación migra a un área muy localizada en la superficie. La barra de escala blanca tiene 5 nanómetros de largo. Crédito:Martin Gruebele
Pequeños puntos semiconductores fluorescentes, llamados puntos cuánticos, son útiles en una variedad de tecnologías sanitarias y electrónicas, pero están hechas de tóxicos, metales caros. Los puntos a base de carbono no tóxicos y económicos son fáciles de producir, pero emiten menos luz. Un nuevo estudio que utiliza imágenes nanométricas ultrarrápidas encontró emisores buenos y malos entre las poblaciones de puntos de carbono. Esta observación sugiere que al seleccionar solo superemisores, Los nanodots de carbono se pueden purificar para reemplazar los puntos cuánticos de metales tóxicos en muchas aplicaciones, dijeron los investigadores.
Los resultados, publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , reunió a investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y la Universidad de Delaware, Condado de Baltimore en un proyecto colaborativo a través del Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas en Illinois.
"Al entrar en este estudio, no sabíamos si todos los puntos de carbono son solo emisores mediocres o si algunos eran perfectos y otros malos, "dijo el profesor de química de Illinois Martin Gruebele, quien dirigió el estudio. "Sabíamos que si podíamos demostrar que hay buenos y malos, tal vez eventualmente podamos encontrar una manera de elegir los perfectos de la mezcla ".
Determinar si los puntos de carbono son buenos o malos emisores de luz comienza con poder verlos, Gruebele dijo. Los puntos tienen menos de 10 nanómetros de diámetro y, cuando está emocionado, decida si emitir fluorescencia en cuestión de picosegundos o una milésima de mil millonésima de segundo.
"Utilizando nuestro microscopio de túnel de barrido de absorción de molécula única desarrollado anteriormente, solo podíamos obtener imágenes de estados excitados sin resolución de tiempo, "Gruebele dijo." En este estudio, sin embargo, ahora podemos registrar puntos cuánticos mientras están en su estado excitado combinando la resolución espacial nanométrica verdadera con la resolución temporal de femtosegundos ".
Martín Gruebele, Derecha, y el estudiante de posgrado Huy Nguyen demuestran que los puntos cuánticos económicos basados en carbono emiten suficiente luz cuando se excitan para eventualmente reemplazar los puntos cuánticos metálicos costosos y tóxicos utilizados en muchas aplicaciones de salud y electrónica. Crédito:L. Brian Stauffer
El equipo descubrió que la excitación de energía toma uno de dos caminos:emitir luz o expulsar la energía en forma de calor antes de tener la oportunidad de producir fluorescencia.
"Descubrimos que en poblaciones a granel, Aproximadamente el 20% de una población determinada de nanopuntos de carbono son emisores perfectos, mientras que alrededor del 80% tiene un estado de emisión de luz muy corto antes de expulsar calor, ", Dijo Gruebele." Ser capaz de ver que hay diferentes poblaciones nos dice que puede ser posible purificar las poblaciones de puntos de carbono seleccionando solo los emisores de luz perfectos ".
La capacidad de seleccionar los puntos perfectos podría hacer realidad el concepto de puntos eficientes basados en carbono, Gruebele dijo. "Los puntos cuánticos de metal se utilizan a menudo para controlar la salud de las células vivas, que está lejos de ser ideal, y tener un no tóxico, La opción económica sería un avance significativo ".
La nueva tecnología de imágenes también permite a los investigadores observar por qué algunos puntos nunca se iluminan. insinuando que existe la esperanza de que los investigadores algún día puedan sintetizar puntos de carbono emisores de luz perfectos.
"Ahora sabemos que tenemos un instrumento que identifica el problema, "Dijo Gruebele." Ya sea que lo usemos para purificar grupos de puntos de carbono o para ayudar a sintetizar puntos de carbono emisores de luz perfectos, ahora es solo una cuestión de hacia dónde queremos dirigirnos ".
