Teoretické výpočty odkryly další tajemství uhlíkových teček

Nové poznatky významné pro pochopení mechanismu fotoluminiscence uhlíkových teček přináší teoretická studie výpočetních chemiků z Českého institutu výzkumu a pokročilých technologií (CATRIN) Univerzity Palackého. V těchto dnech ji publikoval The Journal of Physical Chemistry C, který navíc doprovodnou grafiku Martina Pykala z CATRIN vybral na titulní stránku online vydání.

Od objevu uhlíkových teček neuběhlo ani dvacet let, a přesto patří tento teenager mezi nejintenzivněji studované nanomateriály současnosti. Jejich unikátní vlastnosti, mezi něž patří vysoká stabilita, biokompatibilita, nízká toxicita či intenzivní fotoluminiscence, předurčují uhlíkové tečky pro širokou paletu aplikací od medicíny až po optoelektroniku. Z pohledu struktury jde o velmi komplikované materiály, které neochotně odhalují svá tajemství. Vedle experimentů pomáhají pronikat do tajů vlastností uhlíkových teček i počítačové simulace. Výzkumný tým pod vedením Michala Otyepky z CATRIN se řadí k předním teoretickým skupinám posouvajícím hranice poznání v této oblasti.

Vědci navázali na loňskou práci zveřejněnou v časopise The Journal of Physical Chemistry Letters. V ní se zaměřili na molekulární fotoemisní centra (fluorofory), která mohou vznikat při syntéze uhlíkových teček. Pomocí počítačových simulací ukázali, že molekulové fluorofory se dokáží nejen nekovalentně vázat na povrch kvantové tečky, ale také zabudovávat do její struktury. Následně se pustili do simulací, v nichž sledovali, jak se mění fotoluminiscence v závislosti na různých pozicích molekulového fluoroforu.

„Výpočty ukázaly, že prostředí okolo námi studovaného molekulového fluoroforu a povaha jeho zabudování uvnitř tečky výrazně ovlivnily intenzitu emise a barevný posun excitace a emise. Následně zkonstruovaná excitačně-emisní mapa ukazuje, že molekulové fluorofory jsou hlavním zdrojem excitačně nezávislé emise s širokým emisním píkem,” uvedl vědecký pracovník a student doktorského studia Michal Langer.

Toto zjištění se shoduje s obecně přijímanými závěry o emisi molekulových fluoroforů vytvořenými na základě experimentálních dat. „Soulad teoretických a experimentálních excitačně-emisních map potvrzuje validitu použitého výpočetního protokolu. To nám otevírá cestu ke studiu ještě komplexnějších jevů, jako je například komunikace mezi různými fotoluminiscenčními centry a obecně excitačně závislá luminiscence, které je těžké vysvětlit  pouze na základě experimentů,“ doplnil další z autorů Miroslav Medved’.

Olomoučtí vědci se této problematice věnují dlouhodobě a intenzivně spolupracují s řadou dalších výzkumníků v tuzemsku i zahraničí. Svědčí o tom celá řada odborných článků vydaných ve spolupráci s Andreyem Rogachem z Hong-Kongu či Hansem Lischkou z Texasu včetně  nedávné studie o mechanismu zhášení luminiscence uhlíkových teček, kterou lze využít pro detekci alkoholů [ACS Nano 2021, 15, 6582–6593].

10. 6. 2021