На фото, которое чем-то напоминает изображение медузы, запечатлен люминесцентный тонкий слой углеродных точек. Здесь можно наблюдать градиент концентрации углеродных точек от центра капли к ее краям ― в центре концентрация в разы больше, чем в среднем по области, в то время как сами границы капли окаймлены повышенной концентрацией. Из люминесцентного изображения можно судить о распределении наноматериала на подложке, в данном случае распределение неоднородное.

Углеродные точки ― это относительно новый класс наноматериалов на основе углерода. С момента их открытия в 2004 году многие исследования были посвящены пониманию механизма люминесценции углеродных точек. Поскольку оптические свойства углеродных точек зависят от условий синтеза (состава химических реагентов, температуры, давления), на сегодняшний день нет единой физической модели, способной описать основные механизмы люминесценции этого класса объектов. Это связано с тем, что определенные параметры синтеза влияют на степень карбонизации и тип люминесцентных центров.

На снимке представлено люминесцентное изображение, на котором синие и зелено-желтые области соответствуют люминесценции объектов, излучающих в разных областях видимого диапазона.

Почему в одном объекте мы видим разное излучение? Могут ли это быть различные флуорофоры на одной подложке? На самом деле нет. Все излучение на изображении принадлежит люминесценции слоя, сформированного из углеродных точек.

Наблюдаемый эффект наглядно демонстрирует одно из основных отличий люминесценции углеродных точек от органических люминофоров (люминофор — вещество, способное преобразовывать поглощаемую им энергию в световое излучение (люминесцировать) ― прим.ред.) и полупроводниковых квантовых точек.

Он обусловлен резкой зависимостью энергии излучения углеродных точек от их концентрации в образце, другими словами ― от средних расстояний между соседними углеродными точками. В области, где концентрация углеродных точек больше, максимум люминесценции имеет длинноволновый сдвиг относительно участков в образце с меньшей концентрацией.

Точная природа этого эффекта до конца не установлена, поскольку перенос энергии, например, по ферстеровскому механизму между наночастицами одного сорта, как правило, не может приводить к столь существенной зависимости положения люминесценции наночастиц от их локальной концентрации в образцах.

Сейчас этой задачей занимается группа исследователей международного научно-образовательного центра «Физика наноструктур» при активном участии студентов магистратуры «Физика и технология наноструктур» и аспирантов центра.

Исследователи проводят всестороннее, теоретическое и экспериментальное изучение этого класса люминесцирующих наночастиц. Целью исследования является выявление закономерностей люминесцентных свойств углеродных точек, которые позволили бы унифицировать процесс синтеза и позволили массово использовать углеродные точки в фотовольтаических системах, светоизлучающих устройствах, в биоимиджинге и тераностике социально значимых заболеваний.

Изображение получено в ходе эксперимента: слой водного раствора с высокой концентрацией углеродных точек наносится на покровное стекло и высыхает при комнатной температуре. После испарения воды образец был исследован на лазерном сканирующем конфокальном микроскопе LSM 710 (Zeiss, Германия). Для получения снимка был использован объектив 20х/0,75 и диодный лазер с длиной волны 405 нм. Спектрально-разрешенное изображение капли углеродных точек было зарегистрировано с помощью 32-канального фотоприемника.