Het vooruitzicht om steenkool in fluorescerende deeltjes te veranderen klinkt misschien te mooi om waar te zijn, maar de mogelijkheid bestaat dankzij wetenschappers van Rice University.

Het Rice-lab van scheikundige James Tour vond eenvoudige methoden om drie soorten steenkool te reduceren tot grafeen-quantumdots (GQD's), microscopisch kleine schijfjes van atoomdik grafeenoxide dat kan worden gebruikt in medische beeldvorming en voor detectie, elektronische en fotovoltaïsche toepassingen.

De vondst werd vandaag gerapporteerd in het journaal Natuurcommunicatie .

Bandhiaten bepalen hoe een halfgeleidend materiaal een elektrische stroom voert. In kwantumstippen, bandhiaten zijn verantwoordelijk voor hun fluorescentie en kunnen worden afgesteld door de grootte van de stippen te veranderen. Het proces van Tour en bedrijf biedt een zekere mate van controle over hun grootte, in het algemeen van 2 tot 20 nanometer, afhankelijk van de bron van de steenkool.

Er zijn nu veel manieren om GQD's te maken, maar de meeste zijn duur en produceren zeer kleine hoeveelheden, zei toer. Hoewel een ander Rice-lab vorig jaar een manier vond om GQD's te maken van relatief goedkope koolstofvezel, steenkool belooft grotere hoeveelheden GQD's die in één chemische stap nog goedkoper worden, hij zei.

"We wilden zien wat er in steenkool zit dat interessant zou kunnen zijn, dus hebben we het door een zeer eenvoudige oxidatieprocedure geleid, " Tour legde uit. Dat hield in dat de steenkool werd verbrijzeld en in zure oplossingen werd gewassen om de bindingen te verbreken die de kleine grafeendomeinen bij elkaar houden.

"Je kunt niet zomaar een stuk grafeen nemen en het zo klein hakken, " hij zei.

Tour was afhankelijk van het laboratorium van Rice-chemicus en co-auteur Angel Martí om het product te helpen karakteriseren. Het bleek dat verschillende soorten kolen verschillende soorten stippen produceerden. GQD's waren afgeleid van bitumineuze kolen, antraciet en cola, een bijproduct van olieraffinage.

De kolen werden elk gesoniceerd in salpeterzuur en zwavelzuur en gedurende 24 uur verwarmd. Bitumineuze steenkool produceerde GQD's tussen 2 en 4 nanometer breed. Coke produceerde GQD's tussen 4 en 8 nanometer, en antraciet gemaakte gestapelde structuren van 18 tot 40 nanometer, met kleine ronde lagen bovenop grotere, dunnere lagen. (Om te zien wat er zou gebeuren, de onderzoekers behandelden grafietvlokken met hetzelfde proces en kregen meestal kleinere grafietvlokken.)

Tour zei dat de stippen in water oplosbaar zijn, en vroege tests hebben aangetoond dat ze niet-toxisch zijn. Dat biedt de belofte dat GQD's kunnen dienen als effectieve antioxidanten, hij zei.

Medische beeldvorming zou ook enorm kunnen profiteren, omdat de stippen robuuste prestaties vertonen als fluorescerende middelen.

"Een van de problemen met standaardsondes in fluorescentiespectroscopie is dat wanneer je ze in een cel laadt en ze raakt met krachtige lasers, je ziet ze een fractie van een seconde tot meer dan een paar seconden, en dat is het, " zei Martí. "Ze zijn er nog steeds, maar ze zijn gebleekt. Ze fluoresceren niet meer."

Testen in het Martí-lab toonden aan dat GQD's bestand zijn tegen bleken. Na uren van opwinding, Martí zei, de fotoluminescente respons van de uit kolen afkomstige GQD's werd nauwelijks beïnvloed.

Dat zou ze geschikt kunnen maken voor gebruik in levende organismen. "Omdat ze zo stabiel zijn, ze zouden beeldvorming in theorie efficiënter kunnen maken, " hij zei.

Een kleine verandering in de grootte van een kwantumdot - zo weinig als een fractie van een nanometer - verandert de fluorescente golflengten met een meetbare factor, en dat bleek waar te zijn voor de uit steenkool afkomstige GQD's, zei Mart.

Lage kosten zullen ook een gelijkspel zijn, volgens Tour. "Grafiet is $ 2, 000 per ton voor het beste dat er is, uit de UK., "Hij zei. "Goedkoper grafiet is $ 800 per ton uit China. En steenkool kost $ 10 tot $ 60 per ton.

"Steenkool is het goedkoopste materiaal dat je kunt krijgen voor de productie van GQD's, en we ontdekten dat we een opbrengst van 20 procent kunnen krijgen. Dus deze ontdekking kan de kwantumdot-industrie echt veranderen. Het zal de wereld laten zien dat in steenkool deze zeer interessante structuren zijn die echte waarde hebben."