13.04.2021 - Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg

Los defectos ópticamente activos mejoran los nanotubos de carbono

Los científicos logran controlar los defectos con una nueva vía de reacción

Las propiedades de los nanomateriales basados en el carbono pueden alterarse y diseñarse mediante la introducción deliberada de ciertas "imperfecciones" o defectos estructurales. El reto, sin embargo, es controlar el número y el tipo de estos defectos. En el caso de los nanotubos de carbono -compuestos tubulares de tamaño microscópico que emiten luz en el infrarrojo cercano-, los químicos y científicos de materiales de la Universidad de Heidelberg, dirigidos por la Dra. Jana Zaumseil, han demostrado una nueva vía de reacción que permite controlar los defectos. El resultado son defectos específicos ópticamente activos -los llamados defectos sp3- que son más luminiscentes y pueden emitir fotones individuales, es decir, partículas de luz. La emisión eficiente de luz en el infrarrojo cercano es importante para las aplicaciones en telecomunicaciones e imágenes biológicas.

Normalmente los defectos se consideran algo "malo" que afecta negativamente a las propiedades de un material, haciéndolo menos perfecto. Sin embargo, en ciertos nanomateriales, como los nanotubos de carbono, estas "imperfecciones" pueden resultar algo "bueno" y permitir nuevas funcionalidades. En este caso, el tipo preciso de defectos es crucial. Los nanotubos de carbono están formados por láminas enrolladas de un entramado hexagonal de átomos de carbono sp2, como también ocurre en el benceno. Estos tubos huecos tienen un diámetro de aproximadamente un nanómetro y una longitud de hasta varios micrómetros.

Mediante determinadas reacciones químicas, algunos átomos de carbono sp2 de la red pueden convertirse en carbono sp3, que también se encuentra en el metano o el diamante. Esto cambia la estructura electrónica local del nanotubo de carbono y da lugar a un defecto ópticamente activo. Estos defectos sp3 emiten luz aún más en el infrarrojo cercano y son en general más luminiscentes que los nanotubos que no han sido funcionalizados. Debido a la geometría de los nanotubos de carbono, la posición precisa de los átomos de carbono sp3 introducidos determina las propiedades ópticas de los defectos. "Desgraciadamente, hasta ahora ha habido muy poco control sobre los defectos que se forman", dice Jana Zaumseil, que es profesora del Instituto de Química Física y miembro del Centro de Materiales Avanzados de la Universidad de Heidelberg.

La científica de Heidelberg y su equipo han demostrado recientemente una nueva vía de reacción química que permite el control de los defectos y la creación selectiva de un solo tipo específico de defecto sp3. Estos defectos ópticamente activos son "mejores" que cualquiera de las "imperfecciones" introducidas anteriormente. No sólo son más luminiscentes, sino que también muestran una emisión monofotónica a temperatura ambiente, explica el profesor Zaumseil. En este proceso, sólo se emite un fotón a la vez, lo cual es un requisito previo para la criptografía cuántica y la telecomunicación de alta seguridad.

Según Simon Settele, estudiante de doctorado del grupo de investigación del profesor Zaumseil y primer autor del artículo que recoge estos resultados, este nuevo método de funcionalización -una adición nucleofílica- es muy sencillo y no requiere ningún equipo especial. "Apenas estamos empezando a explorar las posibles aplicaciones. Todavía se desconocen muchos aspectos químicos y fotofísicos. Sin embargo, el objetivo es crear defectos aún mejores".

Esta investigación forma parte del proyecto "Triones y defectos sp3 en nanotubos de carbono de pared simple para la optoelectrónica" (TRIFECTs), dirigido por el profesor Zaumseil y financiado por una subvención de consolidación del Consejo Europeo de Investigación (ERC). Su objetivo es comprender y diseñar las propiedades electrónicas y ópticas de los defectos en los nanotubos de carbono.

"Las diferencias químicas entre estos defectos son sutiles y la configuración de unión deseada suele formarse sólo en una minoría de nanotubos. Ser capaz de producir un gran número de nanotubos con un defecto específico y con densidades de defectos controladas allana el camino para los dispositivos optoelectrónicos, así como para las fuentes de un solo fotón bombeadas eléctricamente, que son necesarias para futuras aplicaciones en criptografía cuántica", afirma el profesor Zaumseil.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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