La perspective de transformer le charbon en particules fluorescentes peut sembler trop belle pour être vraie, mais la possibilité existe, grâce aux scientifiques de l'Université Rice.

Le laboratoire Rice du chimiste James Tour a trouvé des méthodes simples pour réduire trois types de charbon en points quantiques de graphène (GQD), des disques microscopiques d'oxyde de graphène d'épaisseur atomique qui pourraient être utilisés en imagerie médicale ainsi qu'en détection, applications électroniques et photovoltaïques.

La découverte a été rapportée aujourd'hui dans le journal Communication Nature .

Les bandes interdites déterminent comment un matériau semi-conducteur transporte un courant électrique. En points quantiques, les bandes interdites sont responsables de leur fluorescence et peuvent être réglées en modifiant la taille des points. Le processus par Tour et compagnie permet une certaine maîtrise de leur taille, généralement de 2 à 20 nanomètres, selon la provenance du charbon.

Il existe de nombreuses façons de faire des GQD maintenant, mais la plupart sont chers et produisent de très petites quantités, Tour dit. Bien qu'un autre laboratoire Rice ait trouvé un moyen l'année dernière de fabriquer des GQD à partir de fibre de carbone relativement bon marché, le charbon promet de plus grandes quantités de GQD rendues encore moins chères en une seule étape chimique, il a dit.

"Nous voulions voir ce qu'il y a dans le charbon qui pourrait être intéressant, nous le soumettons donc à une procédure d'oxydation très simple, " a expliqué Tour. Cela impliquait de broyer le charbon et de le baigner dans des solutions acides pour briser les liaisons qui maintiennent les minuscules domaines de graphène ensemble.

"Vous ne pouvez pas simplement prendre un morceau de graphène et le hacher facilement aussi petit, " il a dit.

La tournée a dépendu du laboratoire du chimiste et co-auteur de Rice, Angel Martí, pour aider à caractériser le produit. Il s'est avéré que différents types de charbon produisaient différents types de points. Les GQD étaient dérivés du charbon bitumineux, anthracite et coke, un sous-produit du raffinage du pétrole.

Les charbons ont chacun été soniqués dans des acides nitrique et sulfurique et chauffés pendant 24 heures. Le charbon bitumineux a produit des GQD entre 2 et 4 nanomètres de large. Le coke a produit des GQD entre 4 et 8 nanomètres, et des structures empilées en anthracite de 18 à 40 nanomètres, avec de petites couches rondes au-dessus de plus grandes, couches plus fines. (Juste pour voir ce qui se passerait, les chercheurs ont traité les flocons de graphite avec le même processus et ont obtenu des flocons de graphite principalement plus petits.)

Tour a dit que les points sont solubles dans l'eau, et les premiers tests ont montré qu'ils étaient non toxiques. Cela offre la promesse que les GQD peuvent servir d'antioxydants efficaces, il a dit.

L'imagerie médicale pourrait également en bénéficier grandement, car les points montrent des performances robustes en tant qu'agents fluorescents.

"L'un des problèmes avec les sondes standard en spectroscopie fluorescente est que lorsque vous les chargez dans une cellule et que vous les frappez avec des lasers à haute puissance, vous les voyez pendant une fraction de seconde à plus de quelques secondes, et c'est tout, " dit Martí. "Ils sont toujours là, mais ils ont été photo-blanchis. Ils ne sont plus fluorescents."

Les tests dans le laboratoire Martí ont montré que les GQD résistent au blanchiment. Après des heures d'excitation, Marti a dit, la réponse photoluminescente des GQD à base de charbon a été à peine affectée.

Cela pourrait les rendre aptes à être utilisées dans des organismes vivants. "Parce qu'ils sont si stables, ils pourraient théoriquement rendre l'imagerie plus efficace, " il a dit.

Un petit changement dans la taille d'un point quantique - aussi peu qu'une fraction de nanomètre - modifie ses longueurs d'onde de fluorescence d'un facteur mesurable, et cela s'est avéré vrai pour les GQD à base de charbon, dit Marti.

Le faible coût sera également un tirage au sort, selon Tour. « Le graphite coûte 2 $, 000 la tonne pour le meilleur qui soit, du Royaume-Uni., ", a-t-il déclaré. "Le graphite moins cher coûte 800 $ la tonne en provenance de Chine. Et le charbon coûte entre 10 et 60 dollars la tonne.

« Le charbon est le matériau le moins cher que vous puissiez obtenir pour produire des GQD, et nous avons découvert que nous pouvons obtenir un rendement de 20 pour cent. Cette découverte peut donc vraiment changer l'industrie des points quantiques. Cela va montrer au monde qu'à l'intérieur du charbon se trouvent ces structures très intéressantes qui ont une vraie valeur. »