(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van de Rice University hebben ontdekt wat nanobuisjes in een fauteuil hun unieke heldere kleuren geeft:waterstofachtige objecten die excitonen worden genoemd.

Hun bevindingen verschijnen in de online editie van de Tijdschrift van de American Chemical Society.

Fauteuil koolstofnanobuisjes - zo genoemd naar de "U"-vormige configuratie van de atomen aan hun niet-afgetopte uiteinden - zijn eendimensionale metalen en hebben geen bandafstand. Dit betekent dat elektronen van het ene uiteinde naar het andere stromen met weinig weerstand, precies de eigenschap die ooit kwantumdraden voor fauteuils mogelijk zal maken.

De Rice-onderzoekers laten zien dat fauteuil nanobuisjes licht absorberen als halfgeleiders. Een elektron wordt van een onbeweeglijke toestand naar een geleidende toestand bevorderd door fotonen te absorberen en een positief geladen "gat" achter te laten, " zei Rice-fysicus Junichiro Kono. Het nieuwe elektron-gat-paar vormt een exciton, die een neutrale lading heeft.

"De excitonen worden gecreëerd door de absorptie van een bepaalde golflengte van licht, " zei afgestudeerde student en hoofdauteur Erik Hároz. "Wat je oog ziet is het licht dat over is; de nanobuisjes nemen een deel van het zichtbare spectrum weg." De diameter van de nanobuis bepaalt welke delen van het zichtbare spectrum worden geabsorbeerd; deze absorptie verklaart de regenboog van kleuren die te zien is bij verschillende batches nanobuisjes.

Wetenschappers hebben zich gerealiseerd dat gouden en zilveren nanodeeltjes kunnen worden gemanipuleerd om schitterende tinten weer te geven - een eigenschap waarmee ambachtslieden die geen noties van "nano" hadden, glas-in-loodramen konden maken voor middeleeuwse kathedralen. Afhankelijk van hun grootte, de deeltjes absorbeerden en straalden licht van bepaalde kleuren uit vanwege een fenomeen dat bekend staat als plasmaresonantie.

In recentere tijden, onderzoekers zagen halfgeleidende nanodeeltjes, ook wel kwantumstippen genoemd, tonen kleuren die worden bepaald door hun grootteafhankelijke bandafstanden.

Maar plasmaresonantie vindt plaats bij golflengten buiten het zichtbare spectrum in metalen koolstofnanobuizen. En nanobuisjes van fauteuils hebben geen bandgaten.

Kono's laboratorium heeft uiteindelijk vastgesteld dat excitonen de bron van kleur zijn in batches van pure fauteuil-nanobuisjes die in oplossing zijn gesuspendeerd.

De resultaten lijken contra-intuïtief, Kono zei, omdat excitonen kenmerkend zijn voor halfgeleiders, niet metalen. Kono is hoogleraar elektrotechniek en computertechniek en natuurkunde en astronomie.

Terwijl fauteuil nanobuisjes geen bandgaten hebben, ze hebben een unieke elektronische structuur die de voorkeur geeft aan bepaalde golflengten voor lichtabsorptie, hij zei.

"In leunstoel nanobuisjes, de geleidings- en valentiebanden raken elkaar, "Zei Kono. "De eendimensionaliteit, gecombineerd met zijn unieke energiespreiding, maakt er een metaal van. Maar de bands ontwikkelen wat een van Hove-singulariteit wordt genoemd, " die verschijnt als een piek in de dichtheid van toestanden in een eendimensionale vaste stof. "Dus er zijn veel elektronische toestanden geconcentreerd rond deze singulariteit."

Excitonresonantie treedt meestal op rond deze singulariteiten wanneer ze met licht worden geraakt, en hoe sterker de resonantie, hoe meer onderscheiden de kleur. "Het is een ongewone kwaliteit van deze specifieke eendimensionale materialen dat deze excitonen echt kunnen bestaan, " zei Hároz. "In de meeste metalen, dat is niet mogelijk; er is niet genoeg Coulomb-interactie tussen het elektron en het gat om een ​​exciton stabiel te houden."

Het nieuwe artikel volgt op het werk van Kono en zijn team om batches van zuivere enkelwandige koolstofnanobuisjes te maken door middel van ultracentrifugatie. In dat proces, nanobuisjes werden gesponnen in een mix van oplossingen met verschillende dichtheden tot 250, 000 keer de zwaartekracht. De buizen trokken van nature naar gescheiden oplossingen die overeenkwamen met hun eigen dichtheden om een ​​kleurrijk 'nanoparfait' te creëren.

Als bijproduct van hun huidige werk, de onderzoekers bewezen hun vermogen om gezuiverde fauteuil-nanobuisjes te produceren uit verschillende synthesetechnieken. Ze hopen nu hun onderzoek naar de optische eigenschappen van fauteuils verder uit te breiden dan zichtbaar licht. "Uiteindelijk, we willen één collectief spectrum maken met frequentiebereiken van ultraviolet tot terahertz, " zei Hároz. "Daaruit, wij kunnen het weten, optisch, bijna alles over deze nanobuisjes."