Los científicos han aprendido a colocar defectos cristalinos en nuevos materiales con precisión a escala atómica. Esto habilita materiales que pueden controlar los excitones, portadores de energía que son similares a las partículas subatómicas. Una nueva investigación muestra que, uniendo con precisión compuestos químicos específicos a la superficie de un nanotubo de carbono, los científicos pueden crear pozos de energía locales que "capturan" los excitones. Los pozos reducen el estado energético de los excitones. Esto evita la pérdida de su energía en forma de calor y controla el color de la luz que emiten.

Las pequeñas pero profundas mejoras impulsan cada generación de avances en las telecomunicaciones ópticas. Los nuevos materiales de los componentes permiten que los dispositivos sean más pequeños, más eficiente, y más precisa. Sin embargo, estos materiales funcionan mejor cuando los investigadores los diseñan y construyen a partir de bloques de construcción a nanoescala. Estos pequeños bloques de construcción tienen solo una mil millonésima parte de un metro de ancho. Estos materiales ofrecen más brillo, emisión de luz más controlada que se acerca más al espectro infrarrojo requerido para las telecomunicaciones.

Los nanotubos son cilindros huecos de láminas de carbono unidas hexagonalmente que tienen solo un átomo de espesor. Su eléctrico, elástico, térmico, y las propiedades ópticas son particularmente interesantes para materiales de telecomunicaciones avanzados. El desafío ha sido que los nanotubos de carbono de pared simple tienden a emitir luz de manera ineficiente y en el extremo azul menos útil del espectro de ondas de luz. Estos factores los hacen menos adecuados para las telecomunicaciones. La ineficiencia se debe al rápido movimiento de electrones excitados (o "excitones") a través de la superficie de los nanotubos. Estos excitones se descomponen y pierden su energía en forma de calor cuando encuentran defectos estructurales naturales en la superficie. Por lo tanto, los nanotubos excitados ópticamente útiles deben minimizar la producción de calor, maximizar la emisión de luz, y producir luz más cercana al espectro relevante para las telecomunicaciones infrarrojas. La unión de grupos químicos específicos a la superficie del nanotubo modifica el panorama de la energía potencial al crear "pozos de energía" a lo largo de la superficie del nanotubo. Los pozos atraen los excitones de la superficie que flotan libremente y los atrapan en áreas de unos pocos nanómetros de largo. Debido a que los electrones excitados no pueden moverse libremente, se ven "obligados" a liberar energía en forma de luz en lugar de calor. Los excitones atrapados también tienen un estado de menor energía, que "desplaza al rojo" las ondas de luz emitidas más cerca de la parte infrarroja deseada del espectro.

En este estudio, científicos del Centro de Nanotecnologías Integradas, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE), y sus coautores probaron tres nuevos tipos de grupos químicos en nanotubos de carbono de pared simple. Los investigadores crearon modelos teóricos de estructuras a escala atómica que optimizaban la colocación de enlaces químicos estables para maximizar la emisión óptica de los nanotubos. Verificaron los resultados experimentalmente, proporcionando evidencia directa de que las superficies modificadas mejoraron la emisión de luz. Esta innovación ayudará a los equipos del futuro a crear funciones ópticas más afinadas en nanotubos modificados químicamente.

Los hallazgos fueron publicados en Química de Materiales .