Cette image au microscope électronique à transmission montre une boîte quantique de graphène avec des bords en zigzag. Les points quantiques peuvent être créés en vrac à partir de fibre de carbone grâce à un processus chimique découvert à l'Université Rice. (Crédit :Ajayan Lab/Rice University)
Un laboratoire de l'Université Rice a trouvé un moyen de transformer la fibre de carbone commune en points quantiques de graphène, de minuscules particules de matière dont les propriétés devraient s'avérer utiles en électronique, applications optiques et biomédicales.
Le laboratoire Rice du scientifique des matériaux Pulickel Ajayan, en collaboration avec des collègues en Chine, Inde, le Japon et le Texas Medical Center, ont découvert un processus chimique en une étape qui est nettement plus simple que les techniques établies pour fabriquer des points quantiques de graphène. Les résultats ont été publiés en ligne ce mois-ci dans le journal de l'American Chemical Society Lettres nano .
"Il y a eu plusieurs tentatives pour fabriquer des points quantiques à base de graphène avec des propriétés électroniques et luminescentes spécifiques en utilisant la décomposition chimique ou la lithographie par faisceau électronique de couches de graphène, " dit Ajayan, Benjamin M. et Mary Greenwood Anderson de Rice, professeur de génie mécanique et de science des matériaux et de chimie. "Nous pensions que comme ces nanodomaines de carbone graphitisé existaient déjà dans les fibres de carbone, qui sont bon marché et copieux, pourquoi ne pas les utiliser comme précurseur ?"
Points quantiques, découvert dans les années 1980, sont des semi-conducteurs qui contiennent une bande interdite dépendant de la taille et de la forme. Il s'agit de structures prometteuses pour des applications allant des ordinateurs, LED, des cellules solaires et des lasers aux appareils d'imagerie médicale. Les points quantiques à base de carbone de moins de 5 nanomètres produits en vrac par le procédé chimique humide découvert à Rice sont très solubles, et leur taille peut être contrôlée via la température à laquelle ils sont créés.
Des points quantiques de graphène à fluorescence verte créés à l'Université Rice entourent un noyau coloré en bleu dans une cellule de cancer du sein humain. Les cellules ont été placées dans une solution avec les points quantiques pendant quatre heures. Les points, chacun inférieur à 5 nanomètres, passe facilement à travers les membranes cellulaires, montrant leur valeur potentielle pour la bio-imagerie. (Crédit :Ajayan Lab/Rice University)
Les chercheurs de Rice tentaient une autre expérience lorsqu'ils sont tombés sur la technique. "Nous avons essayé d'oxyder sélectivement la fibre de carbone, et nous avons trouvé que c'était vraiment difficile, " dit Wei Gao, un étudiant diplômé de Rice qui a travaillé sur le projet avec l'auteur principal Juan Peng, un étudiant invité de l'Université de Nanjing qui a étudié dans le laboratoire d'Ajayan l'année dernière. "Nous nous sommes retrouvés avec une solution et avons décidé d'examiner quelques gouttes avec un microscope électronique à transmission."
Les points qu'ils ont vus étaient des morceaux de graphène ou, plus précisément, nanodomaines oxydés de graphène extraits par traitement chimique de fibre de carbone. "C'était une surprise totale, " a déclaré Gao. "Nous les appelons des points quantiques, mais ils sont en deux dimensions, donc ce que nous avons vraiment ici, ce sont des disques quantiques de graphène. » Gao a déclaré que d'autres techniques sont chères et prennent des semaines pour fabriquer de petits lots de points quantiques de graphène. « Notre matériau de départ est bon marché, fibre de carbone disponible dans le commerce. Dans un traitement en une seule étape, nous obtenons une grande quantité de points quantiques. Je pense que c'est le plus grand avantage de notre travail, " elle a dit.
Les taches sombres sur une grille de microscope électronique à transmission sont des points quantiques de graphène fabriqués par un processus chimique humide à l'Université Rice. L'encart est un gros plan d'un point. Les points quantiques de graphène peuvent trouver une utilisation dans l'électronique, applications optiques et biomédicales. (Crédit :Ajayan Lab/Rice University)
Une expérimentation plus poussée a révélé des informations intéressantes :la taille des points, et donc leurs propriétés photoluminescentes, pourrait être contrôlé par un traitement à des températures relativement basses, de 80 à 120 degrés Celsius. « A 120 ans, 100 et 80 degrés, nous avons du bleu, points luminescents verts et jaunes, " elle a dit.
Ils ont également découvert que les bords des points avaient tendance à préférer la forme connue sous le nom de zigzag. Le bord d'une feuille de graphène - la forme de carbone à un seul atome d'épaisseur - détermine ses caractéristiques électriques, et les zigzags sont semi-conducteurs.
Leurs propriétés luminescentes donnent aux points quantiques de graphène un potentiel pour l'imagerie, analyse de protéines, suivi cellulaire et autres applications biomédicales, dit Gao. Des tests effectués au MD Anderson Cancer Center de Houston et au Baylor College of Medicine sur deux lignées de cancer du sein humain ont montré que les points se frayaient facilement un chemin dans le cytoplasme des cellules et n'interféraient pas avec leur prolifération.
"Les points quantiques verts ont donné une très bonne image, " a déclaré la co-auteur Rebeca Romero Aburto, un étudiant diplômé du Ajayan Lab qui étudie également à MD Anderson. « L'avantage des points de graphène par rapport aux fluorophores est que leur fluorescence est plus stable et qu'ils ne photoblanchissent pas. Ils ne perdent pas leur fluorescence aussi facilement. Ils ont une limite de profondeur, ils peuvent donc être utiles pour les études in vitro et in vivo (petits animaux), mais peut-être pas optimal pour les tissus profonds chez l'homme.
"Mais tout doit commencer au labo, et ceux-ci pourraient être une approche intéressante à explorer davantage pour la bio-imagerie, " dit Romero Alburto. " A l'avenir, ces points quantiques de graphène pourraient avoir un impact important car ils peuvent être conjugués avec d'autres entités pour des applications de détection, trop."
