Уголь как дешёвый источник графеновых квантовых точек

Кроме традиционных вариантов применения, новые квантовые точки могут оказаться чрезвычайно полезными для использования в ряде многообещающих областей.

Джеймс Тур (James Tour) из Университета Райса (США) вместе с коллегами подверг необычной обработке банальный каменный уголь, антрацит и кокс и теперь утверждает, что конечный результат вполне может найти широкое применение... в медицине. Широкое и очень нужное.

А: в левой банке каменный уголь с серной и азотной кислотами, в которых его подогревают 24 часа; справа — графит в тех же условиях. B: итоги обработки графита. С: они же под бóльшим увеличением. D: графеновая квантовая точка, полученная из каменного угля. (Здесь и ниже фото J. Tour et al.)

Обработка состояла в «замачивании» разновидностей угля в кислоте и воздействии на них звуковыми волнами, обеспечивавшими равномерное перемешивание этого «коктейля». После чего итоговый продукт в течение суток нагревали до 100 °C и получали графен в виде наночастиц с высокоупорядоченной структурой размерами от 2 до 40 нм. В зависимости от исходного вида угля размер частиц был разным, и при их облучении светом они демонстрировали разные типы флюоресценции. Да-да, флюоресценции, и именно поэтому г-н Тур считает их весьма перспективным материалом для целого ряда областей.

Взгляните на квантовые точки. В них электроны (или дырки) так ограничены малым размером наночастицы, что начинают действовать квантовые эффекты. В очень малых частицах расстояние между энергетическими уровнями становится чрезвычайно большим. При переходе электрона на один энергетический уровень ниже испускается фотон, что и лежит в основе оптических свойств квантовых точек, включая флюоресценцию. Всё это применимо к полученным из угля новым наночастицам, и, варьируя их размер, мы можем регулировать даже энергию испускаемого фотона — менять цвет испускаемого квантовой точкой света.

У квантовых точек множество широких областей использования, начиная с экранов смартфонов (LG) и новой микроэлектроники и заканчивая дисплеями, светодиодами и даже квантовыми компьютерами (где-то же надо удерживать кубиты!). Как вы догадываетесь, во всей этой истории есть одно «но»: пока квантовые точки и недёшевы, и токсичны. Все эти селениды кадмия и проч. весьма дороги, их получение энергоёмко, а продукты на их основе требуют специальной утилизации.

Согласно тестам группы г-на Тура, новые наночастицы нетоксичны (благо графен) и при этом должны быть значительно дешевле аналогов: исходное сырье стоит копейки, да и процедура обработки относительно проста. Более ранние графеновые наночастицы удавалось получить либо из графита, либо из углеродных нанотрубок. Но в обоих случаях техпроцесс был сложнее, а сырьё — дороже, нежели в нынешней разработке.

Слева — антрацит, справа — кокс. В зависимости от их изначальной структуры итоговые графеновые квантовые точки имеют разные размеры и свойства.

Но дело не только в цене. Нетоксичные квантовые точки можно использовать там, где ранее таким устройствам вообще не было хода, — в человеческом организме. А это очень перспективное биомедицинское направление, поскольку длительно светящиеся наночастицы графена могут куда действеннее существующих флюоресцентов подсвечивать нужные живые клетки и ткани организма (что другие квантовые точки уже показали в лабораторных опытах на животных). Однако в медотрасли применение диагностических средств на основе токсичных металлов неприемлемо, и наночастицы графена в этом смысле могут стать настоящим прорывом.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications, а с его дополнительными материалами можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Technology Review. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.