13.09.2012
Fluoreszierende Carbon Dots durch Plasma-Pyrolyse hergestellt
Leuchtende Kohlenstoff-Nanopartikel zeigen nicht nur vorteilhafte optische Eigenschaften, sie sind auch biokompatibel und daher für bildgebende Verfahren in den Biowissenschaften besser geeignet als metallische Halbleiter-Quantenpunkte. Inzwischen wurden diverse Herstellungsverfahren für die als Carbon Dots oder C-dots ("Kohlenstoff-Punkte") bezeichneten Winzlinge entwickelt. Chinesische Wissenschaftler stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie nun eine neue Methode vor, mit der sich C-dots besonders schnell und kostengünstig aus Hühnereiern herstellen lassen. Zudem demonstrieren sie eine Anwendung der Leuchtpünktchen als Druckertinte.
Das neue Verfahren basiert auf einer plasmainduzierten Pyrolyse. Ein Plasma ist ein Gas, dessen Bestandteile teilweise oder vollständig in Ionen und Elektronen getrennt sind. Ein solches Plasma ist hochreaktiv und energiegeladen und dient beispielsweise beim Plasmaschweißen als Wärmequelle. Das Team um Su Chen von der Nanjing University of Technology richtet einen Plasmastrahl auf eine kleine Menge Eigelb oder Eiweiß, um das Material zu verkohlen. Dabei entstehen innerhalb weniger Minuten C-dots in einer Ausbeute knapp 6 Prozent.
Die aus Eigelb gewonnen C-dots weisen eine kristalline Struktur und ca. 2,2 nm Durchmesser auf, die aus Eiweiß sind amorph und 3,4 nm groß. Sie enthalten vor allem graphitartige Strukturen. Sauerstoff- und Stickstoffatome sind zudem auf verschiedene Weise an der Oberfläche gebunden und sorgen für eine gute Löslichkeit in einer sehr breiten Palette wässriger und organischer Lösungsmittel. Gegenüber Säuren und Basen sind sie unempfindlich. Unter UV-Licht fluoreszieren die winzigen Kohlenstoff-Partikel leuchtend blau. Man nimmt an, dass die Lumineszenz durch passivierte Oberflächendefekte zustande kommt, die das anregende UV-Licht wie Antennen "einfangen".
Den Forschern gelang es, den Pyrolyseprozess mit Thermogravimetrie und IR-Spektroskopie zu verfolgen, der unter anderem das Aufwinden und Aufbrechen von Proteinen sowie verschiedene chemische Reaktionen umfasst. Zum Ende hin werden im Wesentlichen Kohlendioxid, Ammoniak und Wasser freigesetzt. "Das Verfahren ist nicht auf Eier beschränkt", erläutert Chen, "es funktioniert mit vielen billigen natürlichen Kohlenstoffquellen, etwa Zuckern."
Die Wissenschaftler mischten Tinten auf Basis der leuchtenden C-dots und druckten per Tintenstrahl- und per Siebdruck-Verfahren leuchtende Muster auf verschiedene Oberflächen. Durch Zugabe geringer Mengen an organischen Farbstoffen oder Halbleiter-Quantenpunkten konnten sie die Farbe der Leuchttinten variieren. "Solche leuchtenden Tinten könnten für optoelektronische Anwendungen interessant sein", so Chen, "beispielsweise auf den Gebieten der fälschungssicheren Kennzeichnung und der optoelektronischen Sensoren."
Quelle: Angewandte Chemie