Os cientistas aprenderam como colocar defeitos cristalinos em novos materiais com precisão em escala atômica. Isso permite materiais que podem controlar excitons - transportadores de energia semelhantes às partículas subatômicas. Uma nova pesquisa mostra que, anexando precisamente compostos químicos específicos a uma superfície de nanotubo de carbono, os cientistas podem criar poços de energia locais que "capturam" os excitons. Os poços diminuem o estado de energia dos excitons. Isso evita a perda de sua energia como calor e controla a cor da luz que eles emitem.

Melhorias pequenas, mas profundas, impulsionam cada geração de inovações em telecomunicações ópticas. Novos materiais de componentes permitem que os dispositivos sejam menores, mais eficiente, e mais preciso. Contudo, esses materiais funcionam melhor quando os pesquisadores os projetam e constroem a partir de blocos de construção em nanoescala. Esses minúsculos blocos de construção têm apenas bilionésimos de um metro de largura. Esses materiais oferecem mais brilho, emissão de luz mais controlada e mais próxima do espectro infravermelho necessário para telecomunicações.

Nanotubos são cilindros ocos de folhas de carbono hexagonalmente ligadas que têm apenas um átomo de espessura. Sua eletricidade, elástico, térmico, e as propriedades ópticas são particularmente interessantes para materiais de telecomunicações avançados. O desafio tem sido que os nanotubos de carbono de parede única tendem a emitir luz de maneira ineficiente e na extremidade azul menos útil do espectro de ondas de luz. Esses fatores os tornam menos adequados para telecomunicações. A ineficiência decorre do rápido movimento de elétrons excitados (ou "excitons") através da superfície dos nanotubos. Esses excitons se decompõem e perdem sua energia na forma de calor quando encontram defeitos estruturais naturais na superfície. Nanotubos excitados opticamente úteis devem, portanto, minimizar a produção de calor, maximizar a emissão de luz, e produzir luz mais perto do espectro relevante para telecomunicações infravermelho. Anexar grupos químicos específicos à superfície do nanotubo modifica a paisagem de energia potencial, criando "poços de energia" ao longo da superfície do nanotubo. Os poços atraem os excitons de superfície flutuante e os prendem em áreas de alguns nanômetros de comprimento. Como os elétrons excitados não podem se mover livremente, eles são "forçados" a liberar energia na forma de luz em vez de calor. Os excitons presos também têm um estado de energia mais baixo, que "desvia para o vermelho" as ondas de luz emitidas para mais perto da parte infravermelha desejada do espectro.

Neste estudo, cientistas do Centro de Nanotecnologias Integradas, uma instalação de usuário do Office of Science do Departamento de Energia (DOE), e seus co-autores testaram três novos tipos de grupos químicos em nanotubos de carbono de parede única. Os pesquisadores criaram modelos teóricos de estruturas em escala atômica que otimizaram a colocação de ligações químicas estáveis ​​para maximizar a emissão óptica dos nanotubos. Eles verificaram os resultados experimentalmente, fornecendo evidência direta de que as superfícies modificadas melhoraram a emissão de luz. Esta inovação ajudará as equipes futuras a criar funções ópticas mais ajustadas em nanotubos quimicamente modificados.

Os resultados foram publicados em Química de Materiais .