Gezielte Synthese leuchtender C-Dots

  • 15. November 2017

Eingebaute Stickstoffatome steuern Lichtemission von Nanoteilchen aus Kohlenstoff.

Kohlenstoff­­kügelchen mit Durch­­messern von wenigen Nano­­metern – C-Dots – besitzen unge­­wöhnliche optische Eigen­­schaften, die sie für eine Reihe von techno­­logischen Anwen­­dungen, von der solaren Energie­­umwandlung bis hin zur medi­­zinischen Bildgebung, interessant machen. Darüber hinaus haben C-Dots im Vergleich zu ähnlichen Materia­­lien den Vorteil, dass sie stabil und einfach herzu­­stellen sind und keine toxischen Schwer­­metalle enthalten. Ob bestimmte C-Dots die für die Bildgebung relevante Licht­­emission zeigen oder eher die für die Energie­­umwandlung wichtigen photo­­katalytischen Eigen­­schaften besitzen, hängt von ihrer chemischen Zusammen­­setzung und ihrer komplexen inneren Struktur ab. Die zugrunde­­liegenden Mecha­nismen sind bisher allerdings schlecht verstanden. LMU-Physiker um Jacek Stolarczyk haben diese Zusammen­­hänge untersucht und zeigen, dass die Eigen­­schaften der C-Dots durch chemische Modi­­fikationen auf einfache Weise beein­­flusst werden können.

Abb.: Kuvette mit blau lumineszierenden Nanopartikeln aus Kohlenstoff. (Bild: S. Bhattacharyya)

Abb.: Kuvette mit blau lumineszierenden Nanopartikeln aus Kohlenstoff. (Bild: S. Bhattacharyya)

„Bisher wurden C-Dots typischer­­weise vor allem mithilfe des Trial-and-Error-Prinzips optimiert“, sagt Stolarczyk. „Um dies zu verbessern, ist ein genaueres Verständnis der Mecha­nismen essen­ziell, auf denen die op­tischen Eigen­­schaften der C-Dots beruhen.“ Die Wissen­­schaftler führten ihre Studie im Rahmen des inter­­disziplinären Projekts „Solar Techno­­logies Go Hybrid“ (SolTEch) durch. „Ziel von SolTech ist es, inno­­vative Konzepte für die Umwandlung von Solar­­energie ins­­besondere in nicht-fossile Brenn­stoffe zu erforschen – und zwar idealer­­weise mithilfe von reichlich vorhan­­denen und ungif­­tigen Materia­lien“, erklärt Jochen Feldmann, der Leiter des SolTech-Projekts. C-Dots sind für derartige Anwen­­dungen ideal geeignet.

Die Nano­­kügelchen bestehen aus verschiedenen poly­­zyklischen Kohlen­­wasserstoff­­verbindungen, deren komplexes Zusammen­­spiel ihre optischen Eigen­­schaften bestimmt. Die Wissen­­schaftler stellten nun C-Dots her, indem sie ein Gemisch aus Zitronen­­säure und einem stickstoff­­haltigen verzweigten Polymer mit Mikro­­wellen bestrahlten. Dabei variierten sie die Konzen­­tration des Polymers, sodass unter­­schiedliche Mengen an Stickstoff in die Nano­­kügelchen eingebaut wurden. Insbe­sondere die Art, wie der Stick­stoff eingebaut wurde, variierte je nachdem, wie viel Stickstoff zur Verfügung stand.

„Unsere Unter­­suchungen zeigten, dass die chemische Umgebung der einge­­bauten Stickstoff­­atome die Eigen­­schaften der C-Dots entscheidend beein­­flusst“, sagt Santanu Bhatta­­charyya, Alexander-von-Humboldt Fellow am Lehrstuhl von Jochen Feldmann. Der Einbau in den inneren Bereichen graphen­­artiger Strukturen, wie er bei mittleren Polymer­konzen­tra­tionen gefunden wurde, führte zu Nano­­kügelchen, die bei ent­sprechender Anregung haupt­­sächlich Fluoreszenz im blauen Spektral­­bereich zeigen. Dagegen führte der Einbau an Rand­­positionen, wie er für sehr hohe und sehr niedrige Polymer­­mengen auftrat, zur Unter­­drückung der Licht­­emission und statt­­dessen zu effek­tiver photo­­kataly­tischer Reduktion von Wasser zu Wasser­­stoff. Durch kleine Varia­tionen der Synthese­­prozedur können diese Eigen­­schaften also fein gesteuert werden. Die Wissen­­schaftler gehen davon aus, dass ihre neuen Erkennt­­nisse die Einsatz­­möglichkeiten von C-Dots als fluores­­zierende Licht­quelle oder für Anwendungen in der Energie­­umwandlung voran­­bringen werden.

LMU / JOL

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