Des lots de nanotubes enrichis de fauteuils montrent leurs couleurs dans un éventail de types variés. Le flacon à gauche est un mélange de nanotubes directement du four, en suspension dans un liquide. Les flacons à droite montrent des nanotubes après séparation par ultracentrifugation. Les excitons absorbent la lumière à des fréquences particulières qui dépendent du diamètre du tube; le mélange de couleurs non absorbées est ce que l'œil voit. (Crédit :Erik Hároz/Université Rice)
(PhysOrg.com) -- Des chercheurs de l'Université Rice ont découvert ce qui donne aux nanotubes de fauteuil leurs couleurs vives uniques :des objets ressemblant à de l'hydrogène appelés excitons.
Leurs conclusions figurent dans l'édition en ligne du Journal de l'American Chemical Society.
Les nanotubes de carbone de fauteuil - ainsi nommés pour la configuration en forme de "U" des atomes à leurs extrémités non coiffées - sont des métaux unidimensionnels et n'ont pas de bande interdite. Cela signifie que les électrons circulent d'un bout à l'autre avec peu de résistivité, la propriété même qui pourrait un jour rendre possible les fils quantiques de fauteuil.
Les chercheurs de Rice montrent que les nanotubes de fauteuil absorbent la lumière comme des semi-conducteurs. Un électron est promu d'un état immobile à un état conducteur en absorbant des photons et en laissant derrière lui un "trou" chargé positivement, " a déclaré le physicien de Rice Junichiro Kono. La nouvelle paire électron-trou forme un exciton, qui a une charge neutre.
"Les excitons sont créés par l'absorption d'une longueur d'onde particulière de la lumière, ", a déclaré Erik Hároz, étudiant diplômé et auteur principal. "Ce que votre œil voit, c'est la lumière qui reste; les nanotubes enlèvent une partie du spectre visible. » Le diamètre du nanotube détermine quelles parties du spectre visible sont absorbées; cette absorption explique l'arc-en-ciel de couleurs observé parmi les différents lots de nanotubes.
Les scientifiques ont réalisé que les nanoparticules d'or et d'argent pouvaient être manipulées pour refléter des teintes brillantes – une propriété qui permettait aux artisans qui n'avaient aucune notion de « nano » de créer des vitraux pour les cathédrales médiévales. Selon leur taille, les particules ont absorbé et émis de la lumière de couleurs particulières en raison d'un phénomène connu sous le nom de résonance plasma.
À des époques plus récentes, les chercheurs ont remarqué des nanoparticules semi-conductrices, également connu sous le nom de points quantiques, afficher des couleurs déterminées par leurs bandes interdites dépendant de la taille.
Mais la résonance plasma se produit à des longueurs d'onde en dehors du spectre visible dans les nanotubes de carbone métalliques. Et les nanotubes de fauteuil n'ont pas de bandes interdites.
Le laboratoire de Kono a finalement déterminé que les excitons sont la source de couleur dans des lots de nanotubes de fauteuil purs suspendus en solution.
Les résultats semblent contre-intuitifs, Kono a dit, parce que les excitons sont caractéristiques des semi-conducteurs, pas des métaux. Kono est professeur de génie électrique et informatique, de physique et d'astronomie.
Alors que les nanotubes de fauteuil n'ont pas de bandes interdites, ils ont une structure électronique unique qui favorise des longueurs d'onde particulières pour l'absorption de la lumière, il a dit.
"En fauteuil nanotubes, les bandes de conduction et de valence se touchent, " dit Kono. " L'unidimensionnalité, combiné à sa dispersion énergétique unique, en fait un métal. Mais les groupes développent ce qu'on appelle une singularité van Hove, " qui apparaît comme un pic de densité d'états dans un solide unidimensionnel. " Il y a donc beaucoup d'états électroniques concentrés autour de cette singularité. "
La résonance Exciton a tendance à se produire autour de ces singularités lorsqu'elle est frappée par la lumière, et plus la résonance est forte, plus la couleur est distinguée. "C'est une qualité inhabituelle de ces matériaux unidimensionnels particuliers que ces excitons peuvent réellement exister, " dit Hároz. " Dans la plupart des métaux, ce n'est pas possible; il n'y a pas assez d'interaction de Coulomb entre l'électron et le trou pour qu'un exciton soit stable."
Le nouvel article fait suite aux travaux de Kono et de son équipe pour créer des lots de nanotubes de carbone monoparois purs par ultracentrifugation. Dans ce processus, les nanotubes ont été filés dans un mélange de solutions avec différentes densités jusqu'à 250, 000 fois la force de gravité. Les tubes se sont naturellement tournés vers des solutions séparées qui correspondaient à leurs propres densités pour créer un "nano parfait" coloré.
En tant que sous-produit de leur travail actuel, les chercheurs ont prouvé leur capacité à produire des nanotubes de fauteuil purifiés à partir de diverses techniques de synthèse. Ils espèrent maintenant étendre leurs recherches sur les propriétés optiques des fauteuils au-delà de la lumière visible. "Finalement, nous aimerions créer un spectre collectif qui inclut des gammes de fréquences allant de l'ultraviolet au térahertz, " dit Hároz. " A partir de là, nous pouvons connaître, optiquement, presque tout sur ces nanotubes."
