Nano in Rot: Kohlenstoffnanoröhren mit bloßem Auge deutlicher zu sehen
Betrachtet man Kohlenstoffnanoröhrchen mit bloßem Auge, sieht man kaum mehr als ein schwarzes Pulver - nun allerdings ist ein Team EU-finanzierter Wissenschaftler einen völlig neuen Weg gegangen, um für eine bessere Sichtbarkeit dieser Mehrzweckbausteine der Nanotechnik zu sorgen. Kohlenstoffnanoröhrchen sind Gebilde aus vielen wabenförmigen Sechsecken, die zu einer nahtlosen zylindrischen Röhre aufgereiht sind. Sie sind exzellente elektrische Leiter und fangen die Energie anderer in der Nähe befindlicher lumineszierender chemischer Stoffe ein - und so sind sie kaum dazu zu bringen, Licht zu emittieren. Das gesamteuropäische Team konnte nun die relativ große Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhrchen ausnutzen und hat Möglichkeiten gefunden, die es vielen anderen - auch lichtemittierenden - Molekülen erlauben, sich an sie zu binden. Bei diesen Molekülen handelt es sich um Chemikalien, die rotes Licht anzeigen können. Die Forschungsarbeit ist Teil des FINELUMEN-Projekts ("Cavity-confined Luminophores for advanced photonic materials: A training action for young researchers"), das innerhalb des Themenbereichs "Menschen" des Siebten Rahmenprogramms (RP7) Finanzmittel in Höhe von 3,62 Mio. EUR erhalten hat. Es sind Forscher aus Belgien, Frankreich, Deutschland, Ungarn, Italien und Polen beteiligt, die lumineszierende Materialien herstellen und charakterisieren konnten, bei denen geeignete organische und anorganische Leuchtstoffe innerhalb von Nanobehältern (d. h. Kohlenstoffnanoröhren und Koordinationsgerüsten) verkapselt sind, in denen sie ihre Emissionsfähigkeit bewahren und sogar verbessern können. Endziel des Projekts ist es, eine Sammlung lumineszierender, im gesamten VIS/NIR-Bereich emittierender Module zu erstellen, mit denen hochwertige funktionelle Hybridmaterialien gefertigt werden können. Die Einstellbarkeit der Emissionsfarbe wird vom emittierenden Gast festgelegt, während die Flexibilität der endgültigen Anwendung über eine maßgeschneiderte chemische Funktionalisierung dieses Stoffes gesteuert wird. "Wir nehmen an dem Projekt als eine Arbeitsgruppe teil, die auf Untersuchungen an Lanthanidverbindungen spezialisiert ist. Wir haben uns dazu entschlossen, deren sehr gute Lumineszenzeigenschaften mit den ausgezeichneten mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Nanoröhrchen zu kombinieren", erläutert Professor Marek Pietraszkiewicz vom Warschauer Institut für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IPC PAS), ein FINELUMEN-Konsortialpartner. Wie Forscherin Valentina Utochnikova von IPC PAS erklärt, entdeckte das Team jedoch, dass es nicht einfach auf das Ankleben dieser lichtemittierender Moleküle hinausläuft: "Ein Anfügen lichtemittierender Komplexe direkt an die Nanoröhre ist gar nicht besonders günstig, da diese - etwa wie ein schwarzer Absorber - das Leuchten in starkem Maße abfangen würden." Zur Bekämpfung dieser unerwünschten Lichtabsorption unterzog das Team die Kohlenstoffnanoröhrchen zunächst einer thermischen Reaktion bei 140 bis 160 Grad Celsius in einer Lösung aus ionischer Flüssigkeit, die mit einer abschließenden Azidofunktion modifiziert wurde. Die Reaktion liefert Nanoröhren, die mit Molekülen beschichtet sind, die als Ankerverbindungen dienen. Auf der einen Seite sind die Anker an der Oberfläche der Nanoröhrchen angebracht und auf der anderen Seite können Moleküle an ihnen andocken, die sichtbares Licht freigeben. Der freie Anschluss jeder Verbindung trägt eine positive Ladung. Die derart vorbereiteten Nanoröhren werden nachfolgend in eine andere Lösung übertragen, die einen negativ geladenen Lanthanoidkomplex, Tetrakis-(4,4,4-Trifluor-1-(2-Naphthyl-1,3-Butanedionato)-Europium, enthält. "Lanthanidverbindungen enthalten Elemente der vierten Gruppe des Periodensystems und sind sehr attraktiv für die Photonik, da sie von einer hohen Lumineszenz-Quantenausbeute und einer hohen Farbreinheit des emittierten Lichts gekennzeichnet sind", kommentiert Valentina Utochnikova. Aufgrund elektrostatischer Wechselwirkungen werden negativ geladene Europiumkomplexe nach dem Auflösen in Lösung spontan von den positiv geladenen freien Anschlüssen der an den Nanoröhrchen angebrachten Anker eingefangen. Nachfolgend wird jedes Nanoröhrchen dauerhaft mit Molekülen beschichtet, die sichtbares Licht emittieren können. Ist die Reaktion abgeschlossen, werden die modifizierten Nanoröhrchen gewaschen und getrocknet. Endergebnis ist ein rußartiges Pulver, das aufgrund der an den Kohlenstoffnanoröhrchen verankerten Lanthanidkomplexe unter UV-Bestrahlung rotes Licht emittiert. Sind diese Materialien so vielseitig wie möglich, sind riesige Chancen des stärkeren Einsatzes im Bereich Bioimaging, optoelektronische Bauelemente und Sensoren abzusehen. Das FINELUMEN-Projekt vereint Industriepartner, kleine und mittlere Unternehmen (KMU) sowie Forschungseinrichtungen und ist Teil der EU-Gesamtstrategie zur Sicherung der europäischen Wettbewerbsfähigkeit in einem riesigen Wachstumsbereich, in dem die Grenzen von Chemie, Physik und Ingenieurwissenschaften zusammentreffen.Für weitere Informationen: Institut für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften: http://www.ichf.edu.pl/indexen.html(öffnet in neuem Fenster)
Länder
Belgien, Deutschland, Frankreich, Ungarn, Italien, Polen