Автор AZoNano 4 декабря 2020 г.

]

Факт флуоресценции углеродных нанотрубок хорошо известен. Однако обнаружение второго уровня флуоресценции является неожиданным и потенциально полезным. Новое исследование показало, как это работает.

Лаборатория Университета Райса Брюса Вейсмана, профессора химии, который возглавлял ведущее открытие флуоресценции нанотрубок в 2002 году, определила, что однослойные нанотрубки излучают замедленную вторичную флуоресценцию при активации многоступенчатым процессом в растворе, состоящем из красителя. молекул и растворенного кислорода.

Хотя задержка длится всего несколько микросекунд, ее достаточно, чтобы обнаружить ее с некоторыми усилиями.

Сложный процесс был описан Вейсманом, ведущим автором и выпускником школы Райс Чинг-Вэй Линем и ученым-исследователем Сергеем Бачило в Журнале Американского химического общества .

Реакция начинается, когда раствор с красителем, известным как бенгальская роза, возбуждается светом. Энергия красителя улавливается молекулами кислорода, растворенными в растворе, в результате чего образуется активированный O ₂ . Затем возбужденные молекулы кислорода передают свою энергию нанотрубкам, где экситоны – квазичастицы, образованные из электронов и дырок, – образуются в своем триплетном состоянии

.

С некоторой дополнительной тепловой энергией экситоны возбуждаются в синглетное состояние с более высокой энергией, которое разряжает наблюдаемую флуоресценцию.

В течение ряда лет мы наблюдали интересные эффекты, связанные с нанотрубками и кислородом. Мы обнаружили целый ряд вещей, которые могут произойти, от физических эффектов, таких как передача энергии или обратимое гашение флуоресценции, до запуска химических реакций между нанотрубками и ДНК. Так что это исследование было частью более крупной программы разведки .

Брюс Вайсман, профессор химии, Университет Райса

Тот факт, что они могут возбуждать молекулы растворенного кислорода, побудил исследователей проанализировать, как это повлияет на соседние нанотрубки, добавил Вейсман.

« Мы производим синглетный кислород, возбуждая молекулу красителя видимым светом, а затем кислород дезактивирует краситель и сам возбуждается », – отметил он. « Эта идея возникла в фотофизике несколько десятилетий назад и очень условна. Что здесь необычно, так это то, что синглетный кислород взаимодействует с нанотрубкой, непосредственно вызывая возбуждение в триплетном состоянии в трубке. Эти триплетные состояния были довольно неуловимыми »

Триплетные состояния органических молекул являются наиболее долгоживущими возбужденными состояниями. Их время жизни на порядки больше, чем у синглетных возбужденных состояний, поэтому они могут оставаться достаточно долго, чтобы натолкнуться на что-то еще и вступить в химические реакции .

Брюс Вайсман, профессор химии, Университет Райса

« Но поскольку триплетные состояния нанотрубок не излучают свет и не очень хорошо поглощают свет, их сложно изучать, и о них мало что известно », – добавил он. « Мы пытаемся понять их немного лучше ».

Активация флуоресценции все же требовала дополнительного шага. « Просто из-за случайного теплового возбуждения в их окружении, эти парни иногда могут попасть в яркое синглетное состояние, и тогда они могут сказать вам, что они там, выплюнув фотон », – заявил Вайсман.

Поскольку триплетное состояние может длиться около 10 мкс, преобразованное излучение называется задержанной флуоресценцией.

Группе пришлось найти способ наблюдать сравнительно слабый эффект на фоне яркой первичной флуоресценции нанотрубок. « Это было похоже на попытку увидеть тусклый объект сразу после того, как его ослепила яркая вспышка камеры », – объяснил Вайсман. « Нам пришлось изобрести некоторые специальные приборы ».

Одно устройство « по сути представляет собой быстрый механический затвор », который закрывает коротковолновый инфракрасный (SWIR) спектрометр во время яркой вспышки, а затем быстро открывается, тип камеры заднего вида, которая меняется с закрытой на открывается через 7 мкс.

Он добавил, что другое устройство – это чувствительный детектор, который активируется электронным сигналом и оценивает, как слабое излучение исчезает с течением времени. « Обе эти системы были построены Чинг-Вэем, потрясающим экспериментатором », – отметил он.

Вайсман и его команда использовали флуоресценцию нанотрубок в смарт-коже на основе нанотрубок и в технологиях медицинской визуализации для количественной оценки деформации поверхностей, помимо других приложений. По его словам, новые открытия в конечном итоге могут быть применены к оптоэлектронике и солнечной энергии.

Нет прямого шага, на котором кто-то прочтет это и создаст новое, более эффективное устройство. Но это фундаментальное знание процессов и свойств является фундаментом, на котором строятся новые технологии .

Брюс Вайсман, профессор химии, Университет Райса

Это исследование было поддержано Национальным научным фондом и Фондом Уэлча.

Справка журнала

Lin, C.-W., и др. . (2020) Замедленная флуоресценция углеродных нанотрубок через синглетные сенсибилизированные кислородом триплетные экситоны. Журнал Американского химического общества . doi.org/10.1021/jacs.0c10557.

Источник: https://www.rice.edu/[19459008visible