Lotes de nanotubos enriquecidos com poltronas mostram suas cores em uma variedade de tipos. O frasco à esquerda é uma mistura de nanotubos direto do forno, suspenso em líquido. Os frascos à direita mostram nanotubos após a separação por ultracentrifugação. Excitons absorvem luz em frequências particulares que dependem do diâmetro do tubo; a mistura de cores não absorvida é o que o olho vê. (Crédito:Erik Hároz / Rice University)
(PhysOrg.com) - Pesquisadores da Rice University descobriram o que dá aos nanotubos de poltrona suas cores brilhantes e únicas:objetos semelhantes ao hidrogênio chamados excitons.
Suas descobertas aparecem na edição online do Journal of the American Chemical Society.
Os nanotubos de carbono da poltrona - assim chamados por causa da configuração em forma de "U" dos átomos em suas pontas não tampadas - são metais unidimensionais e não têm gap. Isso significa que os elétrons fluem de uma extremidade para a outra com pouca resistividade, a própria propriedade que um dia pode tornar possíveis os fios quânticos de poltrona.
Os pesquisadores do Rice mostram que os nanotubos de poltrona absorvem luz como semicondutores. Um elétron é promovido de um estado imóvel para um estado condutor, absorvendo fótons e deixando para trás um buraco "carregado positivamente", "disse o físico de Rice Junichiro Kono. O novo par elétron-buraco forma um exciton, que tem uma carga neutra.
"Os excitons são criados pela absorção de um determinado comprimento de onda de luz, "disse o estudante de graduação e principal autor Erik Hároz." O que seus olhos vêem é a luz que sobra; os nanotubos retiram uma parte do espectro visível. "O diâmetro do nanotubo determina quais partes do espectro visível são absorvidas; essa absorção é responsável pelo arco-íris de cores visto entre os diferentes lotes de nanotubos.
Os cientistas perceberam que as nanopartículas de ouro e prata podem ser manipuladas para refletir tons brilhantes - uma propriedade que permite que artesãos que não têm noções de "nano" criem vitrais para catedrais medievais. Dependendo do tamanho, as partículas absorveram e emitiram luz de cores específicas devido a um fenômeno conhecido como ressonância de plasma.
Em tempos mais recentes, pesquisadores notaram nanopartículas semicondutoras, também conhecido como pontos quânticos, mostram cores determinadas por seus intervalos de banda dependentes do tamanho.
Mas a ressonância do plasma acontece em comprimentos de onda fora do espectro visível em nanotubos de carbono metálico. E os nanotubos de poltrona não têm lacunas de banda.
O laboratório de Kono acabou determinando que os excitons são a fonte de cor em lotes de nanotubos puros de poltrona suspensos em solução.
Os resultados parecem contra-intuitivos, Kono disse, porque excitons são característicos de semicondutores, não metais. Kono é professor de engenharia elétrica e da computação e de física e astronomia.
Embora os nanotubos de poltrona não tenham lacunas de banda, eles têm uma estrutura eletrônica única que favorece comprimentos de onda específicos para absorção de luz, ele disse.
"Em nanotubos de poltrona, as bandas de condução e valência se tocam, "Kono disse." A unidimensionalidade, combinada com sua dispersão de energia única, torna um metal. Mas as bandas desenvolvem o que é chamado de singularidade van Hove, "que aparece como um pico na densidade de estados em um sólido unidimensional." Portanto, há muitos estados eletrônicos concentrados em torno dessa singularidade. "
A ressonância de excitação tende a ocorrer em torno dessas singularidades quando atingida pela luz, e quanto mais forte a ressonância, quanto mais distinta a cor. "É uma qualidade incomum desses materiais unidimensionais em particular que esses excitons possam realmente existir, "Hároz disse." Na maioria dos metais, isso não é possível; não há interação de Coulomb suficiente entre o elétron e o buraco para um exciton ser estável. "
O novo artigo segue na esteira do trabalho de Kono e sua equipe para criar lotes de nanotubos de carbono de parede simples puros por meio de ultracentrifugação. Nesse processo, nanotubos foram girados em uma mistura de soluções com diferentes densidades de até 250, 000 vezes a força da gravidade. Os tubos gravitavam naturalmente em direção a soluções separadas que combinavam com suas próprias densidades para criar um "nano parfait" colorido.
Como um subproduto de seu trabalho atual, os pesquisadores provaram sua capacidade de produzir nanotubos de poltrona purificados a partir de uma variedade de técnicas de síntese. Eles agora esperam estender sua investigação das propriedades ópticas das poltronas além da luz visível. "Em última análise, gostaríamos de fazer um espectro coletivo que inclua faixas de frequência desde ultravioleta a terahertz, "Hároz disse." A partir daí, podemos saber, opticamente, quase tudo sobre esses nanotubos. "
