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Las propiedades ópticas de los nanotubos de carbono, que consisten en una red hexagonal enrollada de átomos de carbono sp2, pueden mejorarse mediante defectos. Una nueva vía de reacción permite la creación selectiva de defectos sp3 ópticamente activos. Estos pueden emitir fotones individuales en el infrarrojo cercano incluso a temperatura ambiente. CRÉDITO Simon Settele (Heidelberg)

Abstracto:
Las propiedades de los nanomateriales a base de carbono pueden modificarse y modificarse mediante la introducción deliberada de determinadas "imperfecciones" o defectos estructurales. El desafío, sin embargo, es controlar el número y tipo de estos defectos. En el caso de los nanotubos de carbono, compuestos tubulares microscópicamente pequeños que emiten luz en el infrarrojo cercano, los químicos y científicos de materiales de la Universidad de Heidelberg, liderados por la profesora Jana Zaumseil, han demostrado ahora una nueva vía de reacción para permitir tal control de defectos. Da lugar a defectos ópticamente activos específicos, los llamados defectos sp3, que son más luminiscentes y pueden emitir fotones individuales, es decir, partículas de luz. La emisión eficiente de luz infrarroja cercana es importante para aplicaciones en telecomunicaciones e imágenes biológicas.

Los defectos ópticamente activos mejoran los nanotubos de carbono: los científicos de Heidelberg logran el control de defectos con una nueva vía de reacción

Heidelberg, Alemania | Publicado el 9 de abril de 2021

Por lo general, los defectos se consideran algo “malo” que afecta negativamente las propiedades de un material, haciéndolo menos perfecto. Sin embargo, en ciertos nanomateriales como los nanotubos de carbono, estas "imperfecciones" pueden resultar en algo "bueno" y permitir nuevas funcionalidades. Aquí, el tipo exacto de defectos es crucial. Los nanotubos de carbono consisten en láminas enrolladas de una red hexagonal de átomos de carbono sp2, como también se encuentran en el benceno. Estos tubos huecos tienen aproximadamente un nanómetro de diámetro y hasta varios micrómetros de largo.

A través de ciertas reacciones químicas, algunos átomos de carbono sp2 de la red se pueden convertir en carbono sp3, que también se encuentra en el metano o el diamante. Esto cambia la estructura electrónica local del nanotubo de carbono y da como resultado un defecto ópticamente activo. Estos defectos sp3 emiten luz aún más en el infrarrojo cercano y, en general, son más luminiscentes que los nanotubos que no se han funcionalizado. Debido a la geometría de los nanotubos de carbono, la posición precisa de los átomos de carbono sp3 introducidos determina las propiedades ópticas de los defectos. “Desafortunadamente, hasta ahora ha habido muy poco control sobre los defectos que se forman”, dice Jana Zaumseil, profesora del Instituto de Química Física y miembro del Centro de Materiales Avanzados de la Universidad de Heidelberg.

La científica de Heidelberg y su equipo demostraron recientemente una nueva vía de reacción química que permite el control de defectos y la creación selectiva de un solo tipo específico de defecto sp3. Estos defectos ópticamente activos son "mejores" que cualquiera de las "imperfecciones" introducidas anteriormente. No solo son más luminiscentes, sino que también muestran una emisión de fotón único a temperatura ambiente, explica el profesor Zaumseil. En este proceso, solo se emite un fotón a la vez, lo que es un requisito previo para la criptografía cuántica y las telecomunicaciones de alta seguridad.

Según Simon Settele, estudiante de doctorado en el grupo de investigación del Prof. Zaumseil y primer autor del artículo que reporta estos resultados, este nuevo método de funcionalización, una adición nucleofílica, es muy simple y no requiere ningún equipo especial. “Recién estamos comenzando a explorar las aplicaciones potenciales. Aún se desconocen muchos aspectos químicos y fotofísicos. Sin embargo, el objetivo es crear defectos aún mejores ".

Esta investigación es parte del proyecto “Trions y sp3-Defects in Single-wall Carbon Nanotubes for Optoelectronics” (TRIFECTs), dirigido por el Prof. Zaumseil y financiado por una ERC Consolidator Grant del European Research Council (ERC). Su objetivo es comprender y diseñar las propiedades electrónicas y ópticas de los defectos en los nanotubos de carbono.

“Las diferencias químicas entre estos defectos son sutiles y la configuración de unión deseada generalmente solo se forma en una minoría de nanotubos. Ser capaz de producir una gran cantidad de nanotubos con un defecto específico y con densidades de defecto controladas allana el camino para dispositivos optoelectrónicos, así como fuentes de fotón único bombeadas eléctricamente, que son necesarias para futuras aplicaciones en criptografía cuántica ”, dice el profesor Zaumseil.

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También participaron en esta investigación científicos de la Universidad Ludwig Maximilian de Munich y el Centro de Ciencia y Tecnología Cuántica de Munich. Los resultados fueron publicados en la revista "Nature Communications".

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Contactos:
Prof. Dra. Jana Zaumseil
+49 (622) 154-5065

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