L'image ordinaire de microscopie à effet tunnel d'un point de carbone sur la gauche ne montre qu'un point sans particularité. L'absorption de molécule unique résolue en temps STM sur la droite révèle que l'excitation laser est initialement répartie sur l'ensemble du point de carbone, mais en quelques picosecondes, l'excitation migre vers une zone très localisée de la surface. La barre d'échelle blanche mesure 5 nanomètres de long. Crédit :Martin Gruebele
De minuscules points semi-conducteurs fluorescents, appelés points quantiques, sont utiles dans une variété de technologies de la santé et électroniques, mais sont faits de substances toxiques, métaux chers. Les points à base de carbone non toxiques et économiques sont faciles à produire, mais ils émettent moins de lumière. Une nouvelle étude utilisant l'imagerie nanométrique ultrarapide a trouvé de bons et de mauvais émetteurs parmi les populations de points de carbone. Cette observation suggère qu'en ne sélectionnant que les super-émetteurs, les nanopoints de carbone peuvent être purifiés pour remplacer les points quantiques métalliques toxiques dans de nombreuses applications, les chercheurs ont dit.
Les résultats, publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , a réuni des chercheurs de l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign et de l'Université du Delaware, Comté de Baltimore dans le cadre d'un projet collaboratif par l'intermédiaire du Beckman Institute for Advanced Science and Technology de l'Illinois.
« En entrant dans cette étude, on ne savait pas si tous les points de carbone ne sont que des émetteurs médiocres ou si certains étaient parfaits et d'autres étaient mauvais, " a déclaré le professeur de chimie de l'Illinois Martin Gruebele, qui a dirigé l'étude. "Nous savions que si nous pouvions montrer qu'il y a des bons et des mauvais, peut-être pourrions-nous éventuellement trouver un moyen de choisir les parfaits parmi le mélange. "
Déterminer si les points de carbone sont de bons ou de mauvais émetteurs de lumière commence par être capable de les voir, dit Gruebele. Les points ont un diamètre inférieur à 10 nanomètres et, quand excité, décider si la fluorescence doit être émise en quelques picosecondes ou en un millième de milliardième de seconde.
« En utilisant notre microscope à effet tunnel à absorption monomoléculaire développé précédemment, nous ne pouvions imager que des états excités sans résolution temporelle, " dit Gruebele. " Dans cette étude, cependant, nous pouvons maintenant enregistrer des points quantiques dans leur état excité en combinant une véritable résolution spatiale nanométrique avec une résolution temporelle femtoseconde."
Martin Gruebele, droit, et l'étudiant diplômé Huy Nguyen démontrent que les points quantiques économiques à base de carbone émettent suffisamment de lumière lorsqu'ils sont excités pour éventuellement remplacer les points quantiques métalliques coûteux et toxiques utilisés dans de nombreuses applications de santé et d'électronique. Crédit :L. Brian Stauffer
L'équipe a découvert que l'excitation énergétique emprunte l'une des deux voies suivantes :soit émettre de la lumière, soit expulser l'énergie sous forme de chaleur avant d'avoir une chance de fluorescence.
« Nous avons constaté que dans les populations en vrac, environ 20% d'une population donnée de nanodots de carbone sont des émetteurs parfaits, tandis qu'environ 80% ont un état d'émission de lumière très court avant d'expulser de la chaleur, " a déclaré Gruebele. "Être capable de voir qu'il existe différentes populations nous dit qu'il peut être possible de purifier les populations de points de carbone en sélectionnant uniquement les émetteurs de lumière parfaits."
La possibilité de choisir les points parfaits pourrait faire du concept de points à base de carbone efficaces une réalité, dit Gruebele. "Les points quantiques métalliques sont souvent utilisés pour surveiller la santé des cellules vivantes, ce qui est loin d'être idéal, et ayant un non toxique, option économique serait une avancée significative. »
La nouvelle technologie d'imagerie permet également aux chercheurs d'observer pourquoi certains points ne s'allument jamais, laissant entendre qu'il y a de l'espoir que les chercheurs puissent un jour synthétiser des points de carbone luminescents parfaits.
"Nous savons maintenant que nous avons un instrument qui identifie le problème, " a déclaré Gruebele. " Que nous l'utilisions pour purifier des groupes de points de carbone ou pour aider à synthétiser des points de carbone émetteurs de lumière parfaits est maintenant juste une question de savoir où nous voulons nous diriger ensuite. "
