Grafeen quantum dots gemaakt van steenkool, geïntroduceerd in 2013 door het Rice University-lab van chemicus James Tour, kan worden ontworpen voor specifieke halfgeleidende eigenschappen in een van de twee eenstapsprocessen.

In een nieuwe studie deze week in het tijdschrift American Chemical Society: Toegepaste materialen en interfaces , Tour en collega's toonden fijne controle over de grootteafhankelijke bandafstand van de grafeenoxidepunten, de eigenschap die ze tot halfgeleiders maakt. Quantum dots zijn halfgeleidende materialen die klein genoeg zijn om kwantummechanische eigenschappen te vertonen die alleen op nanoschaal voorkomen.

De groep van Tour ontdekte dat ze kwantumdots met specifieke halfgeleidende eigenschappen konden produceren door ze te sorteren door middel van ultrafiltratie, een methode die veel wordt gebruikt bij gemeentelijke en industriële waterfiltratie en bij de voedselproductie.

Het andere eenstapsproces omvatte directe controle van de reactietemperatuur in het oxidatieproces dat steenkool reduceerde tot kwantumstippen. De onderzoekers ontdekten dat hogere temperaturen kleinere stippen produceerden, die verschillende halfgeleidende eigenschappen hadden.

Tour zei dat grafeenkwantumdots zeer efficiënt kunnen zijn in toepassingen variërend van medische beeldvorming tot toevoegingen aan stoffen en bekleding voor helderdere en duurzamere kleuren. "Quantum dots kosten over het algemeen ongeveer $ 1 miljoen per kilogram en we kunnen ze nu maken in een goedkope reactie tussen steenkool en zuur, gevolgd door scheiding. En de kolen zijn minder dan $ 100 per ton."

De stippen in deze experimenten zijn allemaal afkomstig van de behandeling van antraciet, een soort kolen. De processen produceren batches in specifieke maten tussen 4,5 en 70 nanometer in diameter.

Grafeen quantum dots zijn fotoluminescerend, wat betekent dat ze licht van een bepaalde golflengte uitstralen als reactie op binnenkomend licht van een andere golflengte. Het uitgestraalde licht varieert van groen (kleinere stippen) tot oranjerood (grotere stippen). Omdat de uitgezonden kleur ook afhangt van de grootte van de stippen, deze woning kan ook getuned worden, zei toer. Het lab ontdekte dat kwantumstippen die blauw licht uitstralen, het gemakkelijkst te produceren zijn uit bitumineuze steenkool.

De onderzoekers suggereerden dat hun kwantumstippen ook de waarneming kunnen verbeteren, elektronische en fotovoltaïsche toepassingen. Bijvoorbeeld, katalytische reacties kunnen worden verbeterd door de reactieve randen van kwantumstippen te manipuleren. Hun fluorescentie zou ze geschikt kunnen maken voor metaal- of chemische detectietoepassingen door af te stemmen om interferentie met de emissies van de doelmaterialen te voorkomen.