La fluorescence des nanotubes de carbone n'est plus une surprise. Trouver un deuxième niveau de fluorescence est surprenant et potentiellement utile.

Comment ça marche? Attendez-le.

Le laboratoire de l'Université Rice de Bruce Weisman, un professeur de chimie qui a dirigé la découverte pionnière de la fluorescence des nanotubes en 2002, ont découvert que les nanotubes à paroi unique émettent une fluorescence secondaire retardée lorsqu'ils sont déclenchés par un processus en plusieurs étapes dans une solution avec des molécules de colorant et de l'oxygène dissous.

Le délai n'est que de quelques microsecondes, mais il suffit d'être détecté avec un certain effort.

Le processus complexe est détaillé par Weisman, auteur principal et ancien élève de Rice Ching-Wei Lin, et chercheur Sergei Bachilo dans le Journal de l'American Chemical Society .

La réaction commence lorsque la lumière excite une solution contenant un colorant appelé rose bengale. Les molécules d'oxygène dissoutes dans la solution captent l'énergie du colorant, formant une forme énergisée d'O2. Ceux-ci transfèrent ensuite leur énergie aux nanotubes, où les excitons - des quasi-particules constituées d'électrons et de trous d'électrons - sont générés dans leur état triplet. Avec un peu d'énergie thermique ajoutée, ces excitons sont promus à un état singulet d'énergie plus élevée qui émet la fluorescence observée.

« Depuis plusieurs années, nous avons étudié des effets intéressants impliquant les nanotubes et l'oxygène, " Weisman a déclaré. "Nous avons trouvé toute une gamme de choses qui peuvent arriver, d'effets physiques comme ce transfert d'énergie ou l'extinction réversible de la fluorescence, au déclenchement de réactions chimiques entre les nanotubes et l'ADN. Cette étude faisait donc partie d'un programme d'exploration plus vaste."

Leur capacité à exciter les molécules d'oxygène dissoutes a incité les chercheurs à voir comment cela affecterait les nanotubes adjacents, dit Weisman.

"Nous fabriquons de l'oxygène singulet en excitant une molécule de colorant avec de la lumière visible, puis l'oxygène désactive le colorant et s'excite lui-même, " a-t-il dit. " Cette idée remonte à des décennies en photophysique et est très conventionnelle. Ce qui est inhabituel ici, c'est que l'oxygène singulet interagit avec le nanotube pour produire directement des excitations à l'état triplet dans le tube. Ces états triplés ont été assez insaisissables.

"Les états triplets des molécules organiques sont les états excités les plus longs, " Weisman a dit. " Leurs durées de vie sont des ordres de grandeur supérieurs aux états excités singulet, afin qu'ils puissent traîner assez longtemps pour se cogner à autre chose et subir des réactions chimiques.

"Mais parce que les états triplet de nanotubes n'émettent pas de lumière ou n'absorbent pas très bien la lumière directement, ils sont difficiles à étudier et on en sait peu sur eux, " a-t-il dit. " Ce que nous avons fait, c'est essayer de les comprendre un peu mieux. "

Le déclenchement de la fluorescence nécessitait encore une étape supplémentaire. "Juste par agitation thermique aléatoire dans leur environnement, ces gars-là peuvent parfois être poussés à l'état de maillot brillant, et puis ils peuvent vous dire qu'ils sont là en crachant un photon, ", a déclaré Weisman.

Parce que l'état triplet peut durer environ 10 microsecondes, cette émission convertie est appelée fluorescence retardée.

Les chercheurs ont dû trouver un moyen de détecter l'effet relativement faible au milieu de la fluorescence primaire brillante des nanotubes. "C'était comme essayer de voir un objet faible juste après avoir été aveuglé par un flash lumineux d'appareil photo, " Weisman a déclaré. "Nous avons dû concevoir une instrumentation spéciale."

Un appareil "est essentiellement un obturateur mécanique rapide" qui couvre le spectromètre infrarouge à ondes courtes (SWIR) pendant le flash lumineux, puis s'ouvre rapidement, une sorte de caméra de recul qui passe de couvert à ouvert en sept microsecondes. L'autre appareil, il a dit, est un détecteur sensible qui se déclenche avec un signal électronique et mesure la façon dont la faible émission s'estompe au fil du temps. "Ces systèmes ont tous deux été construits par Ching-Wei, qui est un formidable expérimentateur, " il a dit.

Weisman et ses collègues ont utilisé la fluorescence des nanotubes dans les technologies d'imagerie médicale et dans la peau intelligente à base de nanotubes pour mesurer la déformation des surfaces, entre autres applications. Il a déclaré que la nouvelle découverte pourrait éventuellement trouver sa place dans l'optoélectronique et l'énergie solaire.

"Il n'y a pas d'étape directe où quelqu'un va lire ceci et faire un nouveau, appareil plus efficace, " a déclaré Weisman. " Mais cette connaissance fondamentale des processus et des propriétés est la base sur laquelle les nouvelles technologies sont construites. "