Świecące nanorurki węglowe

?udało się tak zmodyfikować czarne nanorurki węglowe, by emitowały czerwone światło. Nie było to proste, bo ich idealna czerń pochłaniała sporą część widma świetlnego. Otrzymany materiał fotoniczny może być używany m.in. do detekcji cząsteczek, nawet biologicznych. Identyfikacja następowałaby poprzez analizowanie zmian świecenia nanorurek po osadzeniu się na nich cząsteczek badanych substancji. 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 stopni C 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 ujemnieaładowany 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 wiecenia oraz dużą czystością koloru emitowanego światła?, podkreśla Utochnikova.

Po rozpuszczeniu w roztworze, ujemnie naładowane kompleksy europu dzięki oddziaływaniu lektrostatycznemu 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.Dobre przewodnictwo elektryczne w połączeniu z możliwością wydajnego świecenia czynią nowe nanorurki atrakcyjnym materiałem także dla technologii bazujących na organicznych diodach elektroluminescencyjnych OLED.

Na zdjęciu: 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