Meerdere kleuren uit een enkele dot

15 February 2018

Natuurkundigen Bart van Dam en Katerina Newell (Dohnalova) hebben, in samenwerking met Emanuele Marino en Peter Schall (allen UvA-IoP) en collega’s van de Universiteit Twente en Jiljin University in China, laten zien hoe zelfs een enkel nanodeeltje gebruikt kan worden om verschillende kleuren licht uit te zenden. Hun resultaten, gepubliceerd in het nano- en microfysicatijdschrift Small, laten zien dat de onderzochte deeltjes een zeer efficiënte en flexibele methode vormen om op minuscule schalen licht van alle kleuren te produceren.

Carbon dots zijn op koolstof gebaseerde, fluorescente nanodeeltjes, die zo geprepareerd kunnen worden dat ze fotoluminiscentie vertonen, met kleuren die instelbaar variëren van blauw tot rood. Deze eigenschap maakt de deeltjes interessant voor belichtingstoepassingen en bio-afbeeldingstechnieken. Het mechanisme dat aan de afstembare emissie ten grondslag ligt, lijkt sterk afhankelijk te zijn van de interne structuur van de carbon dots, die per preparatietechniek verschilt. Daardoor is het moeilijk om een algemeen emissiemechanisme te formuleren dat voor alle carbon dots geldt. In de meeste gevallen wordt de oorsprong van de emissie toegeschreven aan de verschillende emissiekleuren van de individuele carbon dots in een monster, veroorzaakt door hun verschillende grootte en/of chemische samenstelling.

Afstembare kleur

Om de oorsprong van de afstembare emissie te onderzoeken in het materiaal dat de UvA-IoP-onderzoekers in samenwerking met de Universiteit Twente en Jiljin University hebben gemaakt, werd de emissie van individuele carbon dots bestudeerd en vergeleken met de emissie van het gehele monster. Met behulp van een techniek genaamd single-dot spectroscopy lieten de onderzoekers zien dat de emissiekleur van individuele carbon dots afgestemd kan worden tussen blauw en rood door de excitatie-golflengte te variëren. Dit suggereert dat binnen een enkel nanodeeltje meerdere kleurlocaties aanwezig en actief zijn.

De afstembare emissiereultaten voor losse dots zijn dus afkomstig van de verschillende emissiekanalen binnen één zo’n dot – de blauwe emissie gerelateerd aan kleine grafeen-achtige vlokken in de koolstofkern, en de groene en rode emissie aan functionele zuurstof- en stikstofgroepen aan het oppervlak van de carbon dot.

Licht-emissie fabriceren

Omdat dergelijke carbon dots in één stap geprepareerd kunnen worden, met behulp van een eenvoudige chemische synthese, laat deze ontdekking zien dat het haalbaar is om verschillende emissiekleuren binnen een enkel nanodeeltje te fabriceren. Dit maakt carbon dots nog veelzijdiger dan organische kleurstoffen of anorganische quantum dots, waar de emissie van een enkel molecuul of een enkele quantum dot vastligt. Hiermee komt de weg vrij voor het fabriceren van licht-emissie op de nanoschaal.

Referentie

Bart van Dam, Hui Nie, Bo Ju, Emanuele Marino, Jos M. J. Paulusse, Peter Schall, Minjie Li en Katerina Dohnalová, Excitation-Dependent Photoluminescence from Single-Carbon Dots, Small 13 (2017), 1702098.

Afbeelding: Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Met toestemming gereproduceerd.

Published by  IOP