Technologische vooruitgang wordt vaak gedreven door materiaalwetenschap. Hightech-apparaten vereisen "slimme" materialen die een reeks eigenschappen combineren. Een indrukwekkend actueel voorbeeld zijn koolstofnanobuizen (CNT's) - enkele vellen koolstofatomen die in een cilinder zijn gerold. Deze ultradunne buisjes hebben een enorme mechanische sterkte en elektrische geleidbaarheid. Ze zenden ook infrarood fluorescerend licht uit, waardoor ze detecteerbaar zijn. Dit maakt ze tot spannende materialen voor toekomstige bio-imaging-technologie, maar het mechanisme is verrassend ongrijpbaar gebleken.

De frequentie van infrarood licht dat door CNT's wordt uitgezonden, wordt verschoven wanneer organische moleculen aan de buitenkant van de buizen worden bevestigd. Dit biedt een manier om de fluorescentie "af te stemmen", afhankelijk van het vereiste doel. Echter, de oorsprong van de frequentieverschuiving is moeilijk te onderzoeken, omdat er maar een paar moleculen daadwerkelijk op de buizen worden geplaatst. Standaardmethoden hebben daarom moeite om ze te lokaliseren - een soort speld in een hooiberg.

Nutsvoorzieningen, een drietal onderzoekers van de Japanse Kyushu-universiteit heeft vooruitgang geboekt bij het begrijpen van deze frequentieverschuivingen op atomair niveau. In een studie gepubliceerd in nanoschaal , ze rapporteren met behulp van de techniek van spectro-elektrochemie - het toepassen van een elektrische potentiaal ("electro") op een fluorescerend materiaal, en het meten van de resulterende emissie van licht ("spectro"). Het gebruik van elektriciteit onthult de elektronenenergieniveaus in de CNT's, d.w.z. de orbitalen rond atomen. Dit is cruciaal, omdat fluorescentie bestaat uit "opgewonden" elektronen die van de ene orbitaal naar de andere gaan, dan komt er energie vrij in de vorm van licht.

"De frequentie van fluorescentie van CNT's hangt af van de hiaten tussen elektronenenergieniveaus, " leggen de hoofdauteurs uit. "Deze gaten zijn op hun beurt afhankelijk van welke elementen aan de buitenkant van de nanobuisjes zijn gebonden. Bijvoorbeeld, we ontdekten dat moleculen die broom bevatten de energieniveaus dichter bij elkaar duwden in vergelijking met moleculen met waterstof op dezelfde positie."

Dit verkleint de opening - meestal door de hoogste bezette orbitaal te verhogen, waardoor het dichter bij de lege orbitalen erboven komt - en resulteert in fluorescentie met een lagere frequentie.

De gemeten veranderingen in elektronische toestanden waren consistent met de fluorescerende verschuivingen. Dit bevestigde dat de elektronenenergieniveaus de sleutel waren tot frequentie-afstemming, waardoor de onderzoekers een alternatieve verklaring konden uitsluiten op basis van de stabiliteit van geëxciteerde elektronen. Het lijkt erop dat het effect voornamelijk wordt veroorzaakt door het elektrische veld, of dipool, dat wordt gegenereerd wanneer moleculen worden gebonden aan de CNT's. Dit veld, beurtelings, hangt af van het vermogen van die moleculen om elektronen weg te trekken van de koolstof in de nanobuisjes.

"Fluorescerende CNT's kunnen een grote rol spelen in de biogeneeskunde, " zeggen de auteurs. "Onze studiemethode, gebaseerd op elektrochemie, zullen onderzoekers in staat stellen om fluorescerende materialen volledig elektronisch te begrijpen. In de nabije toekomst, dit zal de weg openen naar fine-tuning van CNT's, in termen van zowel optische frequentie als helderheid, door zorgvuldig geregisseerde chemische decoratie."

Het artikel, "Vervangingseffecten op de redoxtoestanden van lokaal gefunctionaliseerde enkelwandige koolstofnanobuizen onthuld door in situ fotoluminescentie spectro-elektrochemie, " werd gepubliceerd in nanoschaal .