Een laboratorium van de Rice University heeft een manier gevonden om gewone koolstofvezel om te zetten in grafeen-kwantumstippen. kleine stofdeeltjes met eigenschappen waarvan verwacht wordt dat ze nuttig zullen zijn in elektronische, optische en biomedische toepassingen.

Het Rice-lab van materiaalwetenschapper Pulickel Ajayan, in samenwerking met collega's in China, Indië, Japan en het Texas Medical Center, ontdekte een eenstaps chemisch proces dat aanzienlijk eenvoudiger is dan gevestigde technieken voor het maken van grafeenquantumdots. De resultaten zijn deze maand online gepubliceerd in het tijdschrift van de American Chemical Society Nano-letters .

"Er zijn verschillende pogingen gedaan om op grafeen gebaseerde kwantumdots te maken met specifieke elektronische en luminescente eigenschappen met behulp van chemische afbraak of e-beam-lithografie van grafeenlagen, " zei Ajayan, Rice's Benjamin M. en Mary Greenwood Anderson hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en scheikunde. "We dachten dat, aangezien deze nanodomeinen van gegrafitiseerde koolstoffen al in koolstofvezels bestaan, die goedkoop en veel zijn, waarom ze niet als voorloper gebruiken?"

Kwantumstippen, ontdekt in de jaren 80, zijn halfgeleiders die een grootte- en vormafhankelijke band gap bevatten. Dit zijn veelbelovende structuren voor toepassingen die variëren van computers, LED's, zonnecellen en lasers tot medische beeldvormingsapparatuur. De sub-5 nanometer op koolstof gebaseerde kwantumstippen die in bulk worden geproduceerd via het natte chemische proces dat is ontdekt in Rice, zijn zeer goed oplosbaar, en hun grootte kan worden geregeld via de temperatuur waarbij ze zijn gemaakt.

De Rice-onderzoekers probeerden nog een experiment toen ze de techniek tegenkwamen. "We hebben geprobeerd koolstofvezel selectief te oxideren, en we ontdekten dat dat heel moeilijk was, " zei Wei Gao, een afgestudeerde Rice-student die aan het project werkte met hoofdauteur Juan Peng, een gaststudent van de Nanjing University die vorig jaar in het laboratorium van Ajayan studeerde. "We kwamen met een oplossing en besloten een paar druppels te bekijken met een transmissie-elektronenmicroscoop."

De vlekjes die ze zagen waren stukjes grafeen of, preciezer, geoxideerde nanodomeinen van grafeen geëxtraheerd via chemische behandeling van koolstofvezel. "Dat was een complete verrassing, " zei Gao. "We noemen ze kwantumstippen, maar ze zijn tweedimensionaal, dus wat we hier echt hebben zijn grafeen-kwantumschijven." Gao zei dat andere technieken duur zijn en weken duren om kleine hoeveelheden grafeen-kwantumstippen te maken. "Ons uitgangsmateriaal is goedkoop, in de handel verkrijgbare koolstofvezel. In een behandeling in één stap, we krijgen een grote hoeveelheid kwantumstippen. Ik denk dat dat het grootste voordeel van ons werk is, " ze zei.

Verdere experimenten brachten interessante informatie aan het licht:de grootte van de stippen, en dus hun fotoluminescente eigenschappen, kunnen worden gecontroleerd door verwerking bij relatief lage temperaturen, van 80 tot 120 graden Celsius. "Op 120, 100 en 80 graden, we zijn blauw geworden, groene en gele lichtgevende stippen, " ze zei.

Ze ontdekten ook dat de randen van de stippen de voorkeur gaven aan de vorm die bekend staat als zigzag. De rand van een vel grafeen -- de enkelvoudige atoom-dikke vorm van koolstof -- bepaalt de elektrische eigenschappen, en zigzaglijnen zijn halfgeleidend.

Hun luminescente eigenschappen geven grafeen kwantumstippen potentieel voor beeldvorming, eiwit analyse, celtracking en andere biomedische toepassingen, zei Gao. Tests in Houston's MD Anderson Cancer Center en Baylor College of Medicine op twee menselijke borstkankerlijnen toonden aan dat de stippen gemakkelijk hun weg naar het cytoplasma van de cellen vonden en hun proliferatie niet verstoorden.

"De groene kwantumstippen leverden een heel goed beeld op, " zei co-auteur Rebeca Romero Aburto, een afgestudeerde student in het Ajayan Lab die ook studeert aan MD Anderson. "Het voordeel van grafeenpunten ten opzichte van fluoroforen is dat hun fluorescentie stabieler is en ze niet fotobleken. Ze verliezen hun fluorescentie niet zo gemakkelijk. Ze hebben een dieptelimiet, dus ze kunnen goed zijn voor in vitro en in vivo (kleine dieren) studies, maar misschien niet optimaal voor diepe weefsels bij mensen.

"Maar alles moet in het lab beginnen, en dit zou een interessante benadering kunnen zijn om verder te onderzoeken voor bio-imaging, " zei Romero Alburto. "In de toekomst, deze grafeen-kwantumdots kunnen een grote impact hebben omdat ze kunnen worden geconjugeerd met andere entiteiten voor detectietoepassingen, te."