Como lo demuestran los físicos de la LMU en un nuevo estudio, las propiedades ópticas y fotocatalíticas de los llamados puntos de carbono pueden ajustarse con precisión controlando las posiciones de los átomos de nitrógeno introducidos en su estructura.
Gracias a sus propiedades ópticas inusuales, las partículas de carbono con diámetros del orden de unos pocos nanómetros, llamados puntos C, son muy prometedoras para una amplia gama de aplicaciones tecnológicas, tan diversas como la conversión de energía y la bioimagen.Además, los puntos C tienen varias ventajas prácticas sobre materiales comparables en la medida en que son fáciles de fabricar, estables y no contienen metales pesados tóxicos. Su versatilidad se debe en gran medida al hecho de que, dependiendo de su composición química y los aspectos de su complejoestructura: pueden actuar como emisores de luz en forma de fotoluminiscencia o funcionar como fotocatalizadores al absorber la energía de la luz y desencadenar reacciones químicas, como la división del agua. Sin embargo, los factores que determinan estas capacidades dispares no se conocen bien. Ahora LMULos físicos dirigidos por el Dr. Jacek Stolarczyk han examinado más de cerca los mecanismos subyacentes a estas propiedades tan diferentes. Su estudio, que aparece en línea en elurinario Comunicaciones de la naturaleza , muestra que las características fisicoquímicas de estos nanomateriales se pueden ajustar de manera simple y precisa mediante la introducción de átomos de nitrógeno en su compleja estructura química de manera controlada.
"Hasta ahora, los puntos C generalmente se han optimizado sobre la base del principio de prueba y error", dice Stolarczyk. "Para superar esta etapa, es esencial obtener una comprensión detallada de los mecanismos quesubyacen a sus diversas características ópticas. "El estudio se realizó como parte del proyecto interdisciplinario" Solar Technologies Go Hybrid "SolTech coordinado por el profesor Jochen Feldmann. SolTech está financiado por el Estado de Baviera para explorar conceptos innovadores para la transformación deradiación solar en electricidad y el uso de fuentes de combustible no fósiles, y preferiblemente no tóxicas y abundantemente disponibles para el almacenamiento de energía. Los puntos C son, en muchos aspectos, ideales para tales aplicaciones.
Los puntos C están formados por redes de compuestos de carbono aromático policíclico, cuyas complejas interacciones determinan cómo reaccionan a la luz. En el nuevo estudio, los investigadores de Munich sintetizaron sus puntos C combinando ácido cítrico como un esqueleto de carbono con un ramificado, polímero que contiene nitrógeno e irradiando la mezcla con microondas. En una serie de experimentos, variaron sistemáticamente la concentración del polímero en la mezcla, de modo que se incorporaron diferentes cantidades de nitrógeno en las redes de carbono.el uso tuvo un impacto crítico en el modo de incorporación de nitrógeno en las redes de carbono que forman los puntos C, es decir, si sustituyó a uno de los átomos de carbono que forman los anillos de carbono de 6 miembros entrelazados que se asemejan a pequeñas escamas de grafeno, o en los 5- y anillos de 6 miembros encontrados en los bordes libres de las estructuras aromáticas.
"Nuestra investigación mostró que el entorno químico de los átomos de nitrógeno incorporados tiene una influencia crucial en las propiedades de los puntos C resultantes", dice el Dr. Santanu Bhattacharyya, primer autor del artículo y compañero de Alexander-von-Humboldt enel grupo de investigación del profesor Jochen Feldmann La incorporación dentro de las estructuras similares al grafeno, encontradas en concentraciones intermedias de polímeros, condujo a los puntos que emiten predominantemente fotoluminiscencia azul cuando se irradian con luz de una longitud de onda adecuada. Por otro lado, la incorporación en las posiciones de los bordes,encontrado para cantidades muy altas o muy bajas del polímero, suprimió la fotoluminiscencia y dio como resultado puntos C que redujeron fotocatalíticamente el agua a hidrógeno. En otras palabras, las propiedades ópticas de los puntos C pueden modificarse a voluntad variando los detallesdel procedimiento utilizado para sintetizarlos. Los miembros del equipo de LMU creen que sus últimas ideas estimularán un mayor trabajo sobre el uso de estosLos fascinantes nanomateriales, tanto como fuentes de luz fotoluminiscentes como fotocatalizadores en los procesos de conversión de energía.
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Materiales proporcionado por Ludwig-Maximilians-Universität München . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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