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Optische Prozesse in Kohlenstoff-Nanokolloiden

Grafik: Guldi Group
Grafik: Guldi Group

Das Leben auf der Erde wird durch Licht reguliert. Es ist die primäre Energiequelle des Planeten, es ermöglicht das Sehen, und es spielt auch die Hauptrolle in einer Vielzahl von technologischen Anwendungen. In diesem Zusammenhang werden funktionelle Nanomaterialien, die es erlauben, Licht-Materie-Wechselwirkungen maßzuschneidern, wahrscheinlich ein Teil unseres täglichen Lebens sein.

Aus Kohlenstoff hergestellte Nanomaterialien bilden den Kern einer nachhaltigen Entwicklung des menschlichen Lebens, indem sie zum Beispiel die Entstehung giftiger Abfälle oder eine mögliche Erschöpfung der Rohstoffe vermeiden, die mit metallhaltigen Nanomaterialien einhergehen.

Insbesondere Kohlenstoff-Nanokolloide (CNCs) haben als leicht verfügbare, ungiftige und anpassbare Nanomaterialien auf Kohlenstoffbasis mit hervorragenden optischen Eigenschaften, vor allem ihrer Photolumineszenz, ein wachsendes Interesse geweckt.  Sie umfassen eine Vielzahl von Kohlenstoffpartikeln, die typische Abmessungen unter und um 10 Nanometer aufweisen. CNCs sind sehr heterogene Materialien, und der Weg von CNCs zu technologischen, ökologischen und biomedizinischen Anwendungen wird durch das Fehlen eines einheitlichen Bildes, das die Eigenschaften dieser Nanokolloide im angeregten Zustand beschreibt, erschwert.

Ein internationales Forschungsteam, darunter der Lehrstuhl für Physikalische Chemie I der FAU, hat vorgeschlagen, den Ansatz zum Verständnis der optischen Eigenschaften von CNCs umzukehren. Ihre wissenschaftlichen Erkenntnisse zur Komplexität von CNCs haben sie in der jüngsten Ausgabe von „Chem“ veröffentlicht. *

CNCs umfassen Graphen-Quantenpunkte, Kohlenstoff-Quantenpunkte, Kohlenstoff-Nanodots und karbonisierte Polymerpunkte. Die Fluoreszenz der CNCs ist wahrscheinlich ihr attraktivstes optisches Merkmal, das einen starken Unterschied zu den üblichen kohlenstoffbasierten Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren und mikroskopisch kleinen Plättchen aus Graphen und Graphenoxid aufweist. Insbesondere zeigen die meisten CNCs eine anregungsabhängige Emission, die von großen Stokes-Verschiebungen begleitet wird, die bei typischen organischen Farbstoffen ungewöhnliche Merkmale sind. Die physikalisch-chemischen Ursprünge ihrer optischen Eigenschaften bleiben jedoch ein Streitpunkt.

Eine internationale Zusammenarbeit um Prof. Dr. Dirk M. Guldi und Dr. Alejandro Cadranel (Lehrstuhl für Physikalische Chemie I an der FAU), Prof. Nicholas A. Kotov (Michigan), Prof. Andrey L. Rogach (Hongkong), Dr. Giulio Ragazzon und Prof. Maurizio Prato (Triest und San Sebastian) revidierte unter anderem wichtige Beiträge auf dem neuesten Stand der Technik, die es ihnen ermöglichte, die grundlegenden Probleme im Zusammenhang mit der Photophysik und Photochemie von CNCs zu identifizieren und mehrere Richtungen der aktuellen und zukünftigen Forschung dieser spannenden Klasse von Nanomaterialien aufzuzeigen.

Der „Elefant im Raum“ ist die Struktur von CNCs, die selbst innerhalb derselben Probe heterogen ist und welche als Ursprung der verschiedenen Ergebnisse nach optischen Störungen angesehen wird. Darüber hinaus hängen photoinduzierte Energie- und Elektronentransferprozesse stark von Elektron-Donor-Akzeptor-Wechselwirkungen ab, die durch strukturelle Merkmale auf der Oberfläche von CNCs gefördert werden.  Die Forschenden glauben, dass es spezifische Möglichkeiten gibt, signifikante Beiträge zu leisten, einschließlich der Verschiebung und Verbesserung der Absorption in den roten und NIR-Bereich des Sonnenspektrums, der Erzielung zirkular polarisierter Lumineszenz, der Erleichterung der Phosphoreszenz in Lösung, der Entwicklung empfindlicher Prozesse im angeregten Zustand wie der Singulett-Spaltung oder der Unterstützung von Multi-Elektronen-Prozessen, und dass diese Aspekte den Weg der CNCs in die Technologie ebnen werden.

* DOI: https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.11.012

Kontakt:

Prof. Dr. Dirk Guldi

Department Chemie und Pharmazie
Lehrstuhl für Physikalische Chemie I