Le progrès technologique est souvent motivé par la science des matériaux. Les appareils de haute technologie nécessitent des matériaux « intelligents » qui combinent une gamme de propriétés. Un exemple actuel impressionnant est celui des nanotubes de carbone (CNT) - des feuilles simples d'atomes de carbone enroulées dans un cylindre. Ces tubes ultrafins ont une résistance mécanique et une conductivité électrique énormes. Ils émettent également une lumière fluorescente infrarouge, les rendant détectables. Cela en fait des matériaux passionnants pour la future technologie de bio-imagerie, mais le mécanisme s'est avéré étonnamment insaisissable.
La fréquence de la lumière infrarouge émise par les NTC est décalée lorsque des molécules organiques sont fixées à l'extérieur des tubes. Cela fournit un moyen de « régler » la fluorescence en fonction de l'objectif requis. Cependant, l'origine du décalage de fréquence est difficile à étudier, car seules quelques molécules sont effectivement placées sur les tubes. Les méthodes standard ont donc du mal à les identifier – une tâche de type aiguille dans une botte de foin.
Maintenant, un trio de chercheurs de l'université japonaise de Kyushu a fait des progrès dans la compréhension de ces décalages de fréquence au niveau atomique. Dans une étude publiée dans Nanoéchelle , ils rapportent utiliser la technique de spectro-électrochimie - appliquant un potentiel électrique ("électro") à un matériau fluorescent, et mesurer l'émission de lumière résultante ("spectro"). L'utilisation de l'électricité révèle les niveaux d'énergie des électrons dans les CNT, c'est-à-dire les orbitales autour des atomes. C'est crucial, parce que la fluorescence est constituée d'électrons "excités" se déplaçant d'une orbitale à une autre, puis libérant de l'énergie sous forme de lumière.
"La fréquence de fluorescence des NTC dépend des écarts entre les niveaux d'énergie des électrons, " expliquent les auteurs principaux. " Ces lacunes dépendent à leur tour des éléments qui sont liés à l'extérieur des nanotubes. Par exemple, nous avons découvert que les molécules contenant du brome rapprochaient les niveaux d'énergie par rapport aux molécules avec de l'hydrogène à la même position."
Cela réduit l'écart, principalement en élevant l'orbite occupée la plus élevée, le rapprochant des orbitales vides au-dessus d'elle - et se traduit par une fluorescence avec une fréquence plus basse.
Les changements mesurés dans les états électroniques étaient cohérents avec les déplacements fluorescents. Cela a confirmé que les niveaux d'énergie des électrons étaient la clé de l'accord de fréquence, permettant aux chercheurs d'exclure une explication alternative basée sur la stabilité des électrons excités. Il semble que l'effet soit principalement causé par le champ électrique, ou dipôle, qui est généré lorsque les molécules sont liées aux NTC. Ce champ, à son tour, dépend de la capacité de ces molécules à éloigner les électrons du carbone dans les nanotubes.
"Les NTC fluorescents pourraient jouer un rôle énorme en biomédecine, " disent les auteurs. " Notre méthode d'étude, basé sur l'électrochimie, permettra aux chercheurs de comprendre les matériaux fluorescents dans les moindres détails électroniques. Dans le futur proche, cela ouvrira la voie à la mise au point des CNT, en termes de fréquence optique et de luminosité, par une décoration chimique soigneusement dirigée."
L'article, "Effets de substitution sur les états redox de nanotubes de carbone monoparoi localement fonctionnalisés révélés par spectroélectrochimie de photoluminescence in situ, " a été publié dans Nanoéchelle .
