Punti quantici(QD) si riferiscono a nanoparticelle semiconduttrici con una dimensione inferiore al raggio di Bohr dell'eccitone e che mostrano effetti di confinamento quantistico. A causa dell’effetto di confinamento quantistico, l’emissione di fluorescenza dei punti quantici è correlata al loro diametro e alla composizione chimica. Combinandoli con superfici semiconduttrici, è possibile migliorarne le proprietà ottiche e fotochimiche. I punti quantici tradizionali sono composti principalmente da elementi di metalli pesanti. Sebbene le loro eccellenti prestazioni siano state ampiamente utilizzate in campi quali l’imaging biologico, l’elettrochimica e la conversione dell’energia, gli elementi di metalli pesanti possono causare inquinamento ambientale e influire sulla salute degli organismi.
Punti quantici di carbonio (CQD)si riferiscono tipicamente a materiali di nano carbonio sferici monodispersi con una dimensione inferiore a 10 nm, composti da nucleo di carbonio sp2/sp3 e gruppi funzionali esterni di ossigeno/azoto. Ha prestazioni eccellenti simili ai tradizionali punti quantici dei semiconduttori, ma può superare efficacemente i difetti di elevata tossicità e scarsa biocompatibilità. Ha una vasta gamma di fonti, è facile da sintetizzare ed è facile da funzionalizzare, rendendolo un materiale sostitutivo ideale per i tradizionali punti quantici dei semiconduttori.
Struttura chimica
I punti quantici di carbonio sono solitamente particelle sferiche con un diametro inferiore a 10 nm, composte da cluster di carbonio sp2/sp3 con strutture amorfe o nanocristalline. La ricerca ha scoperto che la struttura e le proprietà fisico-chimiche dei punti quantici di carbonio possono essere alterate selettivamente introducendo diversi difetti superficiali, drogaggio con eteroatomi e gruppi funzionali.
Proprietà ottiche dei punti quantici di carbonio
I punti quantici di carbonio hanno varie proprietà ottiche eccellenti, come assorbimento ottico, fotoluminescenza, chemiluminescenza ed elettrochemiluminescenza. Queste proprietà ottiche costituiscono la base per l’applicazione dei punti quantici di carbonio in molteplici campi.
Assorbimento ottico
La transizione π - π * del legame C=C consente ai punti quantici di carbonio di avere un forte assorbimento ottico nella regione dell'ultravioletto e possono estendersi alla regione della luce visibile. Alcuni punti quantici di carbonio subiranno anche transizioni n - π * nel legame C=O. Lo spettro di assorbimento può essere regolato introducendo gruppi funzionali e passivazione superficiale.
Fotoluminescenza
Gli effetti quantistici dei punti quantici di carbonio di diverse dimensioni sono causati da diverse trappole di emissione sulla superficie e un'efficace passivazione superficiale è una condizione necessaria affinché i punti quantici di carbonio abbiano una forte fotoluminescenza. Diverse passivazioni superficiali possono ottenere le prestazioni di fotoluminescenza desiderate. Inoltre, anche la fotoluminescenza dei punti quantici di carbonio dipende dal pH.
Luminescenza di conversione
La luminescenza di conversione (UCPL) si riferisce al fenomeno ottico in cui una sostanza assorbe contemporaneamente due o più fotoni, indicando una lunghezza d'onda di emissione inferiore alla lunghezza d'onda di eccitazione (emissione anti Stokes). La ricerca suggerisce che la luminescenza di conversione ha origine dalla transizione dagli orbitali π ad alta energia al rilassamento elettronico orbitale σ può essere causato dalla perdita dalla parte di diffrazione secondaria del monocromatore in uno spettrometro a fluorescenza.
Chemiluminescenza
I punti quantici di carbonio mostrano chemiluminescenza (CL) quando coesistono con MnO4- o Ce4+. Si ritiene che la ragione della chemiluminescenza sia la coincidenza della radiazione causata dagli elettroni generati attraverso la riduzione chimica e dei buchi generati dall'eccitazione termica.
Elettrochemiluminescenza
I punti quantici di carbonio mostrano proprietà di elettrochemiluminescenza (ECL). Sotto l'azione della tensione, il trasferimento di elettroni generato dallo stato di ossidoriduzione dei punti quantici di carbonio si annichila, formando uno stato eccitato, che genera un segnale di elettrochemiluminescenza durante il processo di rilassamento del ritorno allo stato fondamentale.
Prestazioni di trasferimento elettronico
Gli stati eccitati e i relativi fenomeni transitori dei punti quantici di carbonio sono legati all'emissione di fluorescenza e ai processi redox. Le prestazioni del trasferimento elettronico fotoindotto (PET) sono la base per la conversione dell'energia e le applicazioni catalitiche dei punti quantici di carbonio. La ricerca ha scoperto che le prestazioni di trasferimento degli elettroni dei punti quantici di carbonio sono influenzate principalmente dal drogaggio dei nuclei di carbonio, dei gruppi funzionali e degli eteroatomi.
Prestazione biologica
I punti quantici di carbonio hanno una biocompatibilità significativamente più elevata rispetto ad altri nanomateriali. La ricerca ha dimostrato che la maggior parte dei punti quantici di carbonio puro e dei punti quantici di carbonio passivato in superficie non presentano citotossicità significativa. In alcuni casi, la passivazione e la funzionalizzazione della superficie possono portare a una minore tossicità biologica dei punti quantici di carbonio.
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