Onderzoekers van de North Carolina State University hebben de overdracht van triplet-excitonenergie van halfgeleider nanokristallen naar oppervlaktegebonden moleculaire acceptoren aangetoond. verlenging van de levensduur van de oorspronkelijk voorbereide aangeslagen toestand met zes ordes van grootte. Deze bevinding heeft implicaties voor gebieden variërend van zonne-energieconversie tot fotochemische synthese tot opto-elektronica tot lichttherapie voor de behandeling van kanker.

Excitonen zijn de elektron/gat-paren die gevormd worden in halfgeleider nanokristallen bij absorptie van licht, tijdelijk opslaan als chemische energie. Bij zonnecellen, bijvoorbeeld, de excitonen transporteren energie door het materiaal zodat het kan worden opgevangen en omgezet in elektriciteit.

Op het gebied van fotochemie, het grootste nadeel van het gebruik van de meeste halfgeleider nanokristallen als fotosensibilisatoren ligt in hun korte levensduur in de aangeslagen toestand - meestal tientallen nanoseconden - waardoor ze onvoldoende zijn om fotochemische reacties aan te sturen. NC Staatsprofessor scheikunde Felix Castellano, samen met postdoc Cedric Mongin en promovendus Sofia Garakyaraghi, vroeg zich af of het mogelijk zou zijn om de levensduur van de aangeslagen toestand van de halfgeleider nanokristallen te verlengen tot tijdschalen die lang genoeg zijn om chemie uit te voeren.

"De fundamentele vraag was:'Kunnen we een aangeslagen toestand van nanodeeltjes nemen met een levensduur van tientallen nanoseconden en deze verlengen door middel van sensibilisatie, '", zegt Castellano. "Als we de oorspronkelijke aangeslagen toestand van nanokristallen nemen en de energie ervan overbrengen naar een tripletacceptor op het oppervlak van het nanomateriaal, dan moet de moleculaire triplet-aangeslagen toestand die je creëert een voldoende lange levensduur hebben om chemische reacties te bevorderen. Dit zou ook suggereren dat halfgeleider nanokristallen moleculair gedrag vertonen."

Castellano's team gebruikte cadmiumselenide (CdSe) nanokristallen afgedekt met oliezuur, opgesteld door Prof. Mikhail Zamkov en zijn afgestudeerde studente Natalia Razgoniaeva aan de Bowling Green State University. Een deel van het oliezuur wordt dan vervangen door de moleculaire tripletacceptor 9-antaceencarbonzuur (ACA). Wanneer het CdSe nanokristal met ACA wordt geraakt met een groene laserpuls, het in de CdSe geproduceerde exciton wordt overgebracht naar de ACA, het vormen van een moleculair triplet-exciton met een levensduur van milliseconden. Dit vertegenwoordigt een levensduurverlenging van zes ordes van grootte, latere chemische reactiviteit mogelijk maken.

"Het andere voordeel is dat door het exciton weg te vertalen van het oppervlak van de nanodeeltjes, in plaats van het nanodeeltje zelf te betrekken bij de gewenste chemische reacties, je degradeert het nanodeeltje niet, "zegt Castellano. "Het kan licht blijven absorberen en de energie in de bulkoplossing overbrengen."