Zoals natuurkundigen van de Ludwig Maximilian Universiteit van München aantonen in een nieuwe studie, de optische en fotokatalytische eigenschappen van zogenaamde koolstofstippen kunnen nauwkeurig worden afgestemd door de posities van stikstofatomen die in hun structuur worden geïntroduceerd te regelen.

Dankzij hun ongebruikelijke optische eigenschappen, koolstofdeeltjes met een diameter in de orde van enkele nanometers - de zogenaamde C-dots - zijn veelbelovend voor een breed scala aan technologische toepassingen, zo divers als energieconversie en bio-imaging. Bovendien, C-dots hebben verschillende praktische voordelen ten opzichte van vergelijkbare materialen voor zover ze gemakkelijk te fabriceren zijn, stabiel en bevatten geen giftige zware metalen. Hun veelzijdigheid is grotendeels te danken aan het feit dat ze - afhankelijk van hun chemische samenstelling en aspecten van hun complexe structuur - ofwel kunnen fungeren als lichtstralers in de vorm van fotoluminescentie ofwel als fotokatalysatoren kunnen fungeren door lichtenergie te absorberen en chemische reacties op gang te brengen, zoals watersplitsing. Echter, de factoren die deze ongelijksoortige vermogens bepalen, worden niet goed begrepen. Nu hebben LMU-fysici onder leiding van Dr. Jacek Stolarczyk de mechanismen die aan deze zeer verschillende eigenschappen ten grondslag liggen, nader bekeken. hun studie, die online in het tijdschrift verschijnt Natuurcommunicatie , laat zien dat de fysisch-chemische eigenschappen van deze nanomaterialen eenvoudig en nauwkeurig kunnen worden afgestemd door stikstofatomen op een gecontroleerde manier in hun complexe chemische structuur te introduceren.

"Tot nu toe, C-dots zijn doorgaans geoptimaliseerd op basis van het principe van vallen en opstaan, ", zegt Stolarczyk. "Om voorbij dit stadium te komen, het is essentieel om een ​​gedetailleerd begrip te krijgen van de mechanismen die ten grondslag liggen aan hun diverse optische kenmerken." De studie werd uitgevoerd als onderdeel van het interdisciplinaire project "Solar Technologies Go Hybrid" (SolTech) gecoördineerd door prof. Jochen Feldmann. SolTech wordt gefinancierd door de deelstaat Beieren om innovatieve concepten te onderzoeken voor de omzetting van zonnestraling in elektriciteit en het gebruik van niet-fossiele, en liefst niet giftig en ruim voorhanden, brandstofbronnen voor de opslag van energie. C-dots zijn in veel opzichten bij uitstek geschikt voor dergelijke toepassingen.

C-dots zijn opgebouwd uit netwerken van polycyclische aromatische koolstofverbindingen, wiens complexe interacties bepalen hoe ze op licht reageren. In de nieuwe studie de onderzoekers uit München synthetiseerden hun C-dots door citroenzuur als koolstofskelet te combineren met een vertakt, stikstofhoudend polymeer, en het bestralen van het mengsel met microgolven. In een reeks experimenten, ze varieerden systematisch de concentratie van het polymeer in het mengsel, zodanig dat verschillende hoeveelheden stikstof in de koolstofnetwerken werden opgenomen. Ze ontdekten dat de precieze omstandigheden die werden gebruikt een kritische invloed hadden op de wijze van opname van stikstof in de koolstofroosters die de C-dots vormen, d.w.z. of het een van de koolstofatomen vervangt die de onderling verbonden 6-ledige koolstofringen vormen die lijken op kleine grafeenvlokken, of in de 5- en 6-ledige ringen op de vrije randen van de aromatische structuren.

"Ons onderzoek toonde aan dat de chemische omgeving van de opgenomen stikstofatomen een cruciale invloed heeft op de eigenschappen van de resulterende C-dots, " zegt Dr. Santanu Bhattacharyya, de eerste auteur van het artikel en Alexander-von-Humboldt fellow in de onderzoeksgroep van professor Jochen Feldmann. Opname in de grafeen-achtige structuren, gevonden bij intermediaire polymeerconcentraties, leidde tot de stippen die overwegend blauwe fotoluminescentie uitzenden wanneer ze worden bestraald met licht van een geschikte golflengte. Anderzijds, opname op randposities, gevonden voor ofwel zeer hoge of zeer lage hoeveelheden van het polymeer, onderdrukte fotoluminescentie en resulteerde in C-dots die in plaats daarvan fotokatalytisch water reduceerden tot waterstof. Met andere woorden, de optische eigenschappen van de C-dots kunnen naar believen worden gewijzigd door de details van de procedure die wordt gebruikt om ze te synthetiseren te variëren. De leden van het LMU-team zijn van mening dat hun nieuwste inzichten verder werken aan het gebruik van deze intrigerende nanomaterialen zullen stimuleren, zowel als fotoluminescente lichtbronnen en als fotokatalysatoren in energieomzettingsprocessen.