O fato de os nanotubos de carbono apresentarem fluorescência não é mais uma surpresa. Encontrar um segundo nível de fluorescência é surpreendente e potencialmente útil.

Como funciona? Espere por isso.

O laboratório de Bruce Weisman da Rice University, um professor de química que liderou a descoberta pioneira da fluorescência de nanotubos em 2002, descobriram que os nanotubos de parede única emitem uma fluorescência secundária retardada quando acionados por um processo de várias etapas em uma solução com moléculas de corante e oxigênio dissolvido.

O atraso é de apenas microssegundos, mas é o suficiente para ser detectado com algum esforço.

O complexo processo é detalhado por Weisman, autor principal e ex-aluno do Rice Ching-Wei Lin, e o cientista pesquisador Sergei Bachilo no Jornal da American Chemical Society .

A reação começa quando a luz excita uma solução contendo um corante chamado rosa bengala. As moléculas de oxigênio dissolvidas na solução capturam energia do corante, formando uma forma energizada de O2. Estes então transferem sua energia para os nanotubos, onde excitons - quasipartículas feitas de elétrons e buracos de elétrons - são gerados em seu estado tripleto. Com um pouco de energia térmica adicionada, esses excitons são promovidos a um estado singlete de energia mais alta que emite a fluorescência observada.

"Por alguns anos, temos observado efeitos interessantes envolvendo nanotubos e oxigênio, "Weisman disse." Nós descobrimos uma série de coisas que podem acontecer, de efeitos físicos como a transferência de energia ou a extinção reversível da fluorescência, ao desencadeamento de reações químicas entre nanotubos e DNA. Portanto, este estudo foi parte de um programa maior de exploração. "

Sua capacidade de excitar moléculas de oxigênio dissolvido levou os pesquisadores a ver como isso afetaria os nanotubos adjacentes, Weisman disse.

"Nós produzimos oxigênio singlete ao excitar uma molécula de corante com luz visível, e então o oxigênio desativa o corante e se excita, "disse ele." Essa ideia remonta a décadas na fotofísica e é muito convencional. O que é incomum aqui é que o oxigênio singlete interage com o nanotubo para fazer excitações de estado tripleto diretamente no tubo. Esses estados de trigêmeos têm sido bastante elusivos.

"Os estados triplos de moléculas orgânicas são os estados excitados de vida mais longa, "Weisman disse." Suas vidas são ordens de magnitude maiores do que os estados excitados do singleto, para que possam permanecer ali por tempo suficiente para esbarrar em outra coisa e sofrer reações químicas.

"Mas, como os estados triplos de nanotubos não emitem luz ou absorvem luz diretamente muito bem, eles são difíceis de estudar e não se sabe muito sobre eles, "disse ele." O que temos feito é tentar entendê-los um pouco melhor. "

O disparo da fluorescência ainda exigia uma etapa extra. "Apenas por agitação térmica aleatória em seus arredores, esses caras às vezes podem ser chutados para o estado de singlet brilhante, e então eles podem dizer que estão lá cuspindo um fóton, "Weisman disse.

Como o estado tripleto pode durar 10 microssegundos ou mais, essa emissão convertida é chamada de fluorescência retardada.

Os pesquisadores tiveram que encontrar uma maneira de detectar o efeito relativamente fraco em meio à fluorescência primária brilhante dos nanotubos. "Foi como tentar ver um objeto escuro logo após ser cegado por um flash de câmera brilhante, "Weisman disse." Tivemos que desenvolver alguns instrumentos especiais. "

Um dispositivo "é basicamente um obturador mecânico rápido" que cobre o espectrômetro infravermelho de onda curta (SWIR) durante o flash brilhante e, em seguida, abre rapidamente, uma espécie de câmera reversa que vai de coberta para aberta em sete microssegundos. O outro dispositivo, ele disse, é um detector sensível que é acionado com um sinal eletrônico e mede como a emissão fraca desaparece com o tempo. "Esses sistemas foram construídos por Ching-Wei, que é um excelente experimentalista, " ele disse.

Weisman e colegas empregaram fluorescência de nanotubos em tecnologias de imagens médicas e em pele inteligente baseada em nanotubos para medir a tensão em superfícies, entre outras aplicações. Ele disse que a nova descoberta pode eventualmente chegar à optoeletrônica e à energia solar.

"Não há uma etapa direta onde alguém vai ler isso e fazer um novo, dispositivo mais eficiente, "Weisman disse." Mas este conhecimento fundamental dos processos e propriedades é a base sobre a qual as novas tecnologias são construídas. "