Rice’i Ülikooli laboratooriumis töötavad uurijad leidsid mooduse, kuidas luua tavalisest süsinikfiibrist grafeenist kvantpunkte. Need on üliväikesed ainelaigud, mille omadusi arvatakse kasulikud olevat elektroonilistes, optilistes ja biomeditsiinilistes rakendustes.
Rice’i materjaliteadlane Pulickel Ajayan avastas koostöös Hiina, India, Jaapani ja Teksase Meditsiinikeskusega üheastmelise keemilise protsessi, mis on märkimisväärselt lihtsam kui seni väljakujunenud tehnikad grafeenist kvantpunktide valmistamiseks. Tehtud uurimustöö tulemused avaldati teadusajakirjas Nano Letters, vahendab Physorg.com.
Läbivelektronmikroskoobi abil tehtud kuvand kujutab siksakiliste äärtega grafeenist kvantpunkti. Kvantpunkte on võimalik luua hulgi süsinikkiust Rice’i Ülikoolis avastatud keemilise protsessi abil. Pilt: Ajayan Lab/Rice’i Ülikool
„Varemgi on tehtud mitmeid katsetusi grafeenil põhinevate kvantpunktide valmistamiseks, millel on eriomased elektroonilised ja luminestseerivad omadused. Selleks on kasutatud keemilist läbilööki või grafeenkihtide elektronlitograafiat (ingl.k. electron beam liography),“ sõnas Ajayan. „Kuna need grafitiseeritud süsinike nanodomeenid juba eksisteerivad sünikkiududes, mis on laialdaselt levinud ja odavad, kasutasime neid prekursorina.“
1980. aastatel avastatud kvantpunktid on pooljuhid, mis sisaldavad suurusest ja kujust sõltuvat keelutsooni. Nad on paljutõotavad struktuurid mitmete rakenduste tarbeks, alates arvutitest, LEDidest, päikesepatareidest ja laseritest ning lõpetades meditsiiniliste pilditehnika seadmetega. Rice’s avastatud keemilise protsessi abil hulgi toodetud alla 5-nanomeetrised süsinikul põhinevad kvantpunktid on väga hästi lahustuvad ning nende suurust on võimalik sünteesitemperatuuri abil kontrollida.
Rice’i Ülikoolis loodud roheliselt helendavad grafeenist kvantpunktid ümbritsevad sinisega märgitud tuuma inimese rinnavähi rakus. Need rakud asetati kvantpunkte sisaldavasse lahusesse neljaks tunniks. Punktid, mis on väiksemad kui 5 nanomeetrit, läbisid rakumembraanid vaevata, näidates oma potentsiaalset väärtust bio-pilditehnikas. Pilt: Ajayan Lab/ Rice’i Ülikool
Rice’i uurijad üritasid parajasti teist katset läbi viia, kui nad kõnealuse tehnika avastasid. „Me proovisime valikuliselt oksüdeerida süsinikkiudu – see oli tõeliselt keeruline,“ sõnas Rice’is õppiv üliõpilane Wei Gao, kes töötas projekti kallal koos uurimustöö juhtiva autori Juan Pengiga. „Oma katse tulemuseks saime lahuse ning otsustasime paari piiska läbivelektronmikroskoobi all uurida.“
Nad avastasid lahuses laike, mis osutusid oksüdeeritud grafeenist nanodomeenideks, mis destilleeriti süsinikkiu keemilise töötlemise kaudu. „See oli meile täielikuks üllatuseks,“ väitis Gao. „Me võime neid nimetada kvantpunktideks, kuid nad on kahemõõtmelised, seega on tegelikult tegemist grafeenist kvant-ketastega.“ Gao sõnul on teised tehnikad liiga kallid ning nende abil väikese koguse grafeenist kvantpunktide valmistamine võtab aega mitmeid nädalaid. „Meie alusmaterjal on odav, tööstuslikult kättesaadav süsinikkiud. Üheastmelise töötluse käigus saame suure hulga kvantpunkte. Ma arvan, et see on meie töö suurim eelis,“ sõnas ta.
Edasised katsetused paljastasid huvitavaid informatsioonikilde: punktide suurust, ja seega nende fotoluminestsentsi omadusi, on võimalik kontrollida üsna madalatel temperatuuridel töötlemisega– 80-st kuni 120 kraadini Tselsiuse järgi. „120, 100 ja 80 kraadi juures saime siniselt, roheliselt ja kollaselt helenduvaid punkte,“ väitis Gao.
Tumedad laigud läbivelektronmikroskoobi võrel on Rice’i Ülikoolis keemilise protsessi abil loodud grafeenist kvantpunktid. Pildil ülal paremal on lähivõte ühest punktist. Pilt: Ajayan Lab/ Rice’i Ülikool
Lisaks avastasid uurijad, et punktide servad eelistasid võtta siksaki kuju (loe lähemalt: http://et.wikipedia.org/wiki/CNT). Grafeenist lehe äär määrab selle elektrilised omadused – siksakid on pooljuhid.
Luminestseerivad omadused viitavad Gao sõnul grafeenist kvantpunktide potentsiaalile pilditehnika, proteiini analüüsi, rakkude jälgimise ja teiste biomeditsiiniliste rakenduste tarbeks. Houston’si MD Andersoni Vähikeskuses ja Baylori Meditsioonikoolis kahe inim-rinnavähi tüübiga läbi viidud katsete tulemusel selgus, et punktid leidsid hõlpsasti tee rakkude tsütoplasmasse ja ei seganud nende pooldumist. Kvantpunktid ei kaota oma helendust kergesti. Neil on ka sügavuspiir, mistõttu võivad need grafeenist kvantpunktid olla kasulikud väikeste loomade uurimisel, kuid pole inimeste sügavkoe uurimiseks optimaalsed.
Teadusartikkel: „Graphene Quantum Dots Derived from Carbon Fibers”
Leave a Reply