Defeitos opticamente ativos melhoram nanotubos de carbono: Cientistas da Heidelberg alcançam controle de defeitos com uma nova via de reação

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As propriedades ópticas dos nanotubos de carbono, que consistem em uma rede hexagonal enrolada de átomos de carbono sp2, podem ser melhoradas através de defeitos. Uma nova via de reação permite a criação seletiva de defeitos sp3 opticamente ativos. Eles podem emitir fótons únicos no infravermelho próximo, mesmo em temperatura ambiente. CRÉDITO Simon Settele (Heidelberg)

Abstrato:
As propriedades dos nanomateriais à base de carbono podem ser alteradas e projetadas através da introdução deliberada de certas “imperfeições” ou defeitos estruturais. O desafio, entretanto, é controlar o número e o tipo desses defeitos. No caso dos nanotubos de carbono – compostos tubulares microscopicamente pequenos que emitem luz no infravermelho próximo – químicos e cientistas de materiais da Universidade de Heidelberg, liderados pela Prof. Dra. Jana Zaumseil, demonstraram agora uma nova via de reação para permitir esse controle de defeitos. Isso resulta em defeitos opticamente ativos específicos – os chamados defeitos sp3 – que são mais luminescentes e podem emitir fótons únicos, ou seja, partículas de luz. A emissão eficiente de luz infravermelha próxima é importante para aplicações em telecomunicações e imagens biológicas.

Defeitos opticamente ativos melhoram os nanotubos de carbono: os cientistas da Heidelberg conseguem controle de defeitos com uma nova via de reação

Heidelberg, Alemanha | Postado em 9 de abril de 2021

Normalmente os defeitos são considerados algo “ruim” que afeta negativamente as propriedades de um material, tornando-o menos perfeito. No entanto, em certos nanomateriais, como os nanotubos de carbono, estas “imperfeições” podem resultar em algo “bom” e permitir novas funcionalidades. Aqui, o tipo preciso de defeitos é crucial. Os nanotubos de carbono consistem em folhas enroladas de uma rede hexagonal de átomos de carbono sp2, como também ocorrem no benzeno. Esses tubos ocos têm cerca de um nanômetro de diâmetro e vários micrômetros de comprimento.

Através de certas reações químicas, alguns átomos de carbono sp2 da rede podem ser transformados em carbono sp3, que também é encontrado no metano ou no diamante. Isto altera a estrutura eletrônica local do nanotubo de carbono e resulta em um defeito opticamente ativo. Esses defeitos sp3 emitem luz ainda mais no infravermelho próximo e são, em geral, mais luminescentes do que os nanotubos que não foram funcionalizados. Devido à geometria dos nanotubos de carbono, a posição precisa dos átomos de carbono sp3 introduzidos determina as propriedades ópticas dos defeitos. “Infelizmente, até agora tem havido muito pouco controle sobre quais defeitos são formados”, diz Jana Zaumseil, professora do Instituto de Físico-Química e membro do Centro de Materiais Avançados da Universidade de Heidelberg.

A cientista de Heidelberg e sua equipe demonstraram recentemente uma nova via de reação química que permite o controle de defeitos e a criação seletiva de apenas um tipo específico de defeito sp3. Esses defeitos opticamente ativos são “melhores” do que qualquer uma das “imperfeições” introduzidas anteriormente. Além de serem mais luminescentes, também apresentam emissão de fóton único à temperatura ambiente, explica o Prof. Zaumseil. Neste processo, apenas um fóton é emitido por vez, o que é um pré-requisito para criptografia quântica e telecomunicações altamente seguras.

Segundo Simon Settele, aluno de doutorado do grupo de pesquisa do Prof. Zaumseil e primeiro autor do artigo que relata esses resultados, esse novo método de funcionalização – uma adição nucleofílica – é muito simples e não requer nenhum equipamento especial. “Estamos apenas começando a explorar as aplicações potenciais. Muitos aspectos químicos e fotofísicos ainda são desconhecidos. No entanto, o objetivo é criar defeitos ainda melhores.”

Esta pesquisa faz parte do projeto “Trions and sp3-Defects in Single-walled Carbon Nanotubes for Optoelectronics” (TRIFECTs), liderado pelo Prof. Zaumseil e financiado por uma ERC Consolidator Grant do European Research Council (ERC). Seu objetivo é compreender e projetar as propriedades eletrônicas e ópticas de defeitos em nanotubos de carbono.

“As diferenças químicas entre esses defeitos são sutis e a configuração de ligação desejada geralmente só é formada em uma minoria de nanotubos. Ser capaz de produzir um grande número de nanotubos com um defeito específico e com densidades de defeito controladas abre caminho para dispositivos optoeletrônicos, bem como fontes de fóton único bombeadas eletricamente, que são necessárias para futuras aplicações em criptografia quântica”, diz o Prof.

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Também estiveram envolvidos nesta pesquisa cientistas da Universidade Ludwig Maximilian de Munique e do Centro de Ciência e Tecnologia Quântica de Munique. Os resultados foram publicados na revista “Nature Communications”.

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Contactos:
Profª Dra. Jana Zaumseil
49-622-154-5065

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