Les propriétés des nanomatériaux à base de carbone peuvent être modifiées et modifiées par l'introduction délibérée de certaines "imperfections" ou défauts structurels. Le défi, cependant, est de contrôler le nombre et le type de ces défauts. Dans le cas des nanotubes de carbone - des composés tubulaires microscopiquement petits qui émettent de la lumière dans le proche infrarouge - les chimistes et les scientifiques des matériaux de l'Université de Heidelberg dirigés par le professeur Jana Zaumseil ont maintenant démontré une nouvelle voie de réaction pour permettre un tel contrôle des défauts. Il en résulte des défauts optiquement actifs spécifiques, appelés défauts sp3, qui sont plus luminescents et peuvent émettre des photons uniques, C'est, particules de lumière. L'émission efficace de lumière proche infrarouge est importante pour les applications dans les télécommunications et l'imagerie biologique.

Habituellement, les défauts sont considérés comme quelque chose de "mauvais" qui affecte négativement les propriétés d'un matériau, le rendant moins parfait. Cependant, dans certains nanomatériaux comme les nanotubes de carbone, ces "imperfections" peuvent aboutir à quelque chose de "bien" et permettre de nouvelles fonctionnalités. Ici, le type précis de défauts est crucial. Les nanotubes de carbone sont constitués de feuilles enroulées d'un réseau hexagonal d'atomes de carbone sp2, car ils sont également présents dans le benzène. Ces tubes creux mesurent environ un nanomètre de diamètre et jusqu'à plusieurs micromètres de long.

Par certaines réactions chimiques, quelques atomes de carbone sp2 du réseau peuvent être transformés en carbone sp3, qui se trouve également dans le méthane ou le diamant. Cela modifie la structure électronique locale du nanotube de carbone et entraîne un défaut optiquement actif. Ces défauts sp3 émettent encore plus de lumière dans le proche infrarouge et sont globalement plus luminescents que les nanotubes non fonctionnalisés. En raison de la géométrie des nanotubes de carbone, la position précise des atomes de carbone sp3 introduits détermine les propriétés optiques des défauts. "Malheureusement, jusqu'à présent, il y a eu très peu de contrôle sur les défauts qui se forment, " dit Jana Zaumseil, qui est professeur à l'Institut de chimie physique et membre du Center for Advanced Materials de l'Université de Heidelberg.

La scientifique de Heidelberg et son équipe ont récemment démontré une nouvelle voie de réaction chimique qui permet le contrôle des défauts et la création sélective d'un seul type spécifique de défaut sp3. Ces défauts optiquement actifs sont "meilleurs" que n'importe laquelle des "imperfections" introduites précédemment. Non seulement ils sont plus luminescents, ils montrent également une émission de photons uniques à température ambiante, explique le professeur Zaumseil. Dans ce processus, un seul photon est émis à la fois, qui est une condition préalable à la cryptographie quantique et aux télécommunications hautement sécurisées.

Selon Simon Settele, doctorant dans le groupe de recherche du Pr Zaumseil et premier auteur de l'article rapportant ces résultats, cette nouvelle méthode de fonctionnalisation - une addition nucléophile - est très simple et ne nécessite aucun équipement particulier. « Nous commençons tout juste à explorer les applications potentielles. De nombreux aspects chimiques et photophysiques sont encore inconnus. Cependant, le but est de créer des défauts encore meilleurs."

Cette recherche fait partie du projet "Trions and sp3-Defects in Single-walled Carbon Nanotubes for Optoelectronics" (TRIFECTs), dirigé par le professeur Zaumseil et financé par une subvention ERC Consolidator Grant du Conseil européen de la recherche (ERC). Son objectif est de comprendre et de concevoir les propriétés électroniques et optiques des défauts dans les nanotubes de carbone.

"Les différences chimiques entre ces défauts sont subtiles et la configuration de liaison souhaitée n'est généralement formée que dans une minorité de nanotubes. Être capable de produire un grand nombre de nanotubes avec un défaut spécifique et avec des densités de défauts contrôlées ouvre la voie aux dispositifs optoélectroniques ainsi qu'aux sources monophotoniques pompées électriquement, nécessaires aux futures applications en cryptographie quantique, " dit le Pr Zaumseil.