De eigenschappen van op koolstof gebaseerde nanomaterialen kunnen worden gewijzigd en gemanipuleerd door de opzettelijke introductie van bepaalde structurele "imperfecties" of defecten. De uitdaging, echter, is om het aantal en het type van deze defecten te controleren. In het geval van koolstofnanobuisjes - microscopisch kleine buisvormige verbindingen die licht uitstralen in het nabij-infrarood - hebben scheikundigen en materiaalwetenschappers van de Universiteit van Heidelberg onder leiding van prof. Dr. Jana Zaumseil nu een nieuwe reactieroute aangetoond om een ​​dergelijke defectcontrole mogelijk te maken. Het resulteert in specifieke optisch actieve defecten - zogenaamde sp3-defecten - die meer lichtgevend zijn en enkele fotonen kunnen uitzenden, dat is, deeltjes licht. De efficiënte emissie van nabij-infrarood licht is belangrijk voor toepassingen in telecommunicatie en biologische beeldvorming.

Gewoonlijk worden defecten beschouwd als iets "slechts" dat de eigenschappen van een materiaal negatief beïnvloedt, waardoor het minder perfect is. Echter, in bepaalde nanomaterialen zoals koolstofnanobuisjes kunnen deze "onvolkomenheden" resulteren in iets "goeds" en nieuwe functionaliteiten mogelijk maken. Hier, het precieze type defecten is cruciaal. Koolstofnanobuisjes bestaan ​​uit opgerolde vellen van een hexagonaal rooster van sp2-koolstofatomen, zoals ze ook voorkomen in benzeen. Deze holle buizen hebben een diameter van ongeveer één nanometer en zijn tot enkele micrometers lang.

Door bepaalde chemische reacties, een paar sp2-koolstofatomen van het rooster kunnen worden omgezet in sp3-koolstof, die ook wordt gevonden in methaan of diamant. Dit verandert de lokale elektronische structuur van de koolstofnanobuis en resulteert in een optisch actief defect. Deze sp3-defecten stralen nog verder licht uit in het nabij-infrarood en zijn over het algemeen meer lichtgevend dan nanobuisjes die niet zijn gefunctionaliseerd. Vanwege de geometrie van koolstofnanobuizen, de precieze positie van de geïntroduceerde sp3-koolstofatomen bepaalt de optische eigenschappen van de defecten. "Helaas, tot nu toe is er heel weinig controle geweest over welke defecten worden gevormd, " zegt Jana Zaumseil, die professor is aan het Institute for Physical Chemistry en lid van het Center for Advanced Materials aan de Universiteit van Heidelberg.

De Heidelberg-wetenschapper en haar team hebben onlangs een nieuwe chemische reactieroute gedemonstreerd die defectcontrole en de selectieve creatie van slechts één specifiek type sp3-defect mogelijk maakt. Deze optisch actieve defecten zijn "beter" dan alle eerder geïntroduceerde "imperfecties". Ze zijn niet alleen meer lichtgevend, ze vertonen ook emissie van één foton bij kamertemperatuur, Prof. Zaumseil legt uit. In dit proces, er wordt maar één foton tegelijk uitgezonden, wat een voorwaarde is voor kwantumcryptografie en zeer veilige telecommunicatie.

Volgens Simon Settele, een doctoraatsstudent in de onderzoeksgroep van Prof. Zaumseil en de eerste auteur van de paper die deze resultaten rapporteert, deze nieuwe functionaliseringsmethode - een nucleofiele toevoeging - is heel eenvoudig en vereist geen speciale apparatuur. "We zijn nog maar net begonnen met het verkennen van de mogelijke toepassingen. Veel chemische en fotofysische aspecten zijn nog onbekend. het doel is om nog betere defecten te creëren."

Dit onderzoek maakt deel uit van het project "Trions and sp3-Defects in Single-walled Carbon Nanotubes for Optoelectronics" (TRIFECTs), geleid door Prof. Zaumseil en gefinancierd door een ERC Consolidator Grant van de European Research Council (ERC). Het doel is om de elektronische en optische eigenschappen van defecten in koolstofnanobuisjes te begrijpen en te ontwikkelen.

"De chemische verschillen tussen deze defecten zijn subtiel en de gewenste bindingsconfiguratie wordt meestal alleen gevormd in een minderheid van nanobuisjes. Het kunnen produceren van grote aantallen nanobuisjes met een specifiek defect en met gecontroleerde defectdichtheden maakt de weg vrij voor zowel opto-elektronische apparaten als elektrisch gepompte single-photon bronnen, die nodig zijn voor toekomstige toepassingen in kwantumcryptografie, " zegt prof. Zaumseil.