Czerwone światło z węglowych nanorurek

Nanorurki węglowe zazwyczaj wyglądają jak czarny proszek. Trudno je zmusić do emitowania światła, bo doskonale przewodzą prąd i wychwytują energię innych, zdolnych do świecenia cząsteczek chemicznych, umieszczanych w ich pobliżu. Przy udziale Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie udało się opracować stosunkowo prostą metodę, dzięki której pod wpływem światła ultrafioletowego nanorurki świecą na czerwono.

Naukowcy działający w ramach międzynarodowego projektu FINELUMEN, koordynowanego przez dr Nicolę Armarolego z Istituto per la Sintesi Organica e la Fotoreattivita, Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-ISOF) w Bolonii, opracowali efektywną metodę wytwarzania nowego materiału fotonicznego: nanorurek węglowych pokrytych kompleksami związków zdolnych do świecenia w czerwieni. „Uczestniczymy w projekcie jako grupa specjalizująca się w badaniach związków lantanowców. Postanowiliśmy połączyć ich znakomite własności emisyjne z doskonałymi cechami mechanicznymi i elektrycznymi nanorurek”, mówi prof. dr hab. Marek Pietraszkiewicz z warszawskiego Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN).

 Nanorurki węglowe można sobie wyobrażać jako zwinięte w rulon płachty grafitu. Powierzchnia boczna każdej nanorurki jest stosunkowo duża i pozwala na doczepienie wielu innych cząsteczek, w tym takich, które mogą świecić. „Przyłączanie świecących kompleksów bezpośrednio do nanorurki nie jest jednak korzystne, bo ta, jako czarny absorber, w wysokim stopniu tłumiłaby luminescencję”, tłumaczy doktorantka Valentina Utochnikova z IChF PAN. Aby zredukować niepożądany efekt absorpcji światła, nanorurki najpierw poddaje się reakcji termicznej zachodzącej w temperaturze 140-160 oC w roztworze cieczy jonowej modyfikowanej grupą azydkową. W wyniku reakcji nanorurki pokrywają się cząsteczkami pełniącymi rolę kotwic-łączników. Kotwice z jednej strony przyczepiają się do powierzchni nanorurki, z drugiej mogą przyłączać cząsteczki potrafiące emitować światło widzialne. Swobodny koniec każdego łącznika ma ładunek dodatni.

Tak przygotowane nanorurki zostają przeniesione do innego roztworu, zawierającego ujemnie naładowany kompleks lantanowcowy – tetrakis-(4,4,4-trifluoro-1-(2-naftylo-1,3-butanodionian) europu. „Związki lantanowcowe, czyli zawierające pierwiastki z VI grupy układu okresowego, są bardzo atrakcyjne dla fotoniki, ponieważ charakteryzują się wysoką kwantową efektywnością świecenia oraz dużą czystością koloru emitowanego światła”, podkreśla Utochnikova.

Po rozpuszczeniu w roztworze, ujemnie naładowane kompleksy europu dzięki oddziaływaniu elektrostatycznemu są samoistnie wyłapywane przez dodatnio naładowane swobodne końcówki kotwic na nanorurkach. W wyniku procesu każda nanorurka zostaje trwale otoczona cząsteczkami zdolnymi emitować światło widzialne. Gdy reakcja dobiegnie końca, zmodyfikowane nanorurki poddaje się płukaniu i suszeniu. Ostatecznym produktem jest czarny jak sadza proszek. Wystarczy go jednak wystawić na promieniowanie ultrafioletowe, aby zakotwiczone na nanorurkach kompleksy lantanowcowe zaczęły świecić na czerwono.

Koncepcję modyfikacji nanorurek i substraty – ciecz jonową oraz kompleks lantanowcowy do pokrywania nanorurek węglowych – opracował zespół prof. Pietraszkiewicza w IChF PAN, natomiast modyfikacje nanorurek i badania spektralne wykonały zespoły badawcze z Uniwersytetu Namur w Belgii i Instytutu CNR-ISOF z Bolonii. Co istotne, reakcje chemiczne prowadzące do powstania nowych świecących nanorurek okazały się znacznie prostsze w realizacji od stosowanych dotychczas.

Otrzymany materiał fotoniczny może być używany m.in. do detekcji cząsteczek, w tym o charakterze biologicznym. Identyfikacja następowałaby poprzez analizowanie zmian świecenia nanorurek po osadzeniu się na nich cząsteczek badanych substancji. Dobre przewodnictwo elektryczne w połączeniu z możliwością wydajnego świecenia czynią nowe nanorurki atrakcyjnym materiałem także dla technologii bazujących na organicznych diodach elektroluminescencyjnych OLED.

Attached files
  • W świetle widzialnym nanorurki węglowe wyglądają zazwyczaj jak czarny proszek (zdjęcie górne). Po pokryciu kompleksami lantanowców zawierającymi europ, opracowanymi w Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie, proszek oświetlony lampą ultrafioletową świeci w kolorze czerwonym (zdjęcie dolne). (Źródło: IChF PAN/Grzegorz Krzyżewski)
  • Doktorantka Valentina Utochnikova prezentuje próbkę nanorurek węglowych z kompleksami europu opracowanymi w Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie. Pod wpływem ultrafioletu proszek emituje światło czerwone. (Źródło: IChF PAN/Grzegorz Krzyżewski)
  • PDF file