Mezinárodní tým vědců, mezi nimiž jsou i odborníci z VŠB – Technické univerzitě Ostrava, odhalil, kde se lokalizují excitované stavy v uhlíkových tečkách a jak jsou přístupné okolnímu prostředí. Pomocí superpočítačových simulací a laboratorních experimentů popsali vnitřní organizaci uhlíkových teček, což otevírá cestu k jejich efektivnějšímu využití v senzorech a fotokatalýze.
Uhlíkové tečky, objevené před více než dvaceti lety, dnes patří mezi nejperspektivnější uhlíkové nanomateriály díky své schopnosti vyzařovat světlo, biokompatibilitě a snadné výrobě. Tyto vlastnosti jim otevřely cestu do biozobrazování, senzoriky i optoelektroniky. Zároveň se zmiňují jako možná udržitelná alternativa ke klasickým fotokatalyzátorům na bázi kovových polovodičů. Přesto však dlouho chybělo jasné vysvětlení, kde přesně v těchto částicích vznikají excitované stavy po ozáření a jak mohou interagovat s okolním prostředím – otázka klíčová pro pochopení mechanismu jejich funkce a další cílený vývoj.
„Zaměřili jsme se na nekarbonizované uhlíkové tečky vyrobené z kyseliny citrónové a ethylendiaminu. Během jejich syntézy v tečkách vznikají fluorescenční molekuly známé pod zkratkou IPCA, které se podle molekulárně-dynamických simulací samovolně seskupují do prostorově oddělených domén bohatých na tyto fluorofory. Zásadním zjištěním je, že tyto domény nejsou uzavřeny v nitru nanočástice, ale jsou přístupné rozpouštědlu. Díky tomu mohou excitované elektrony vzniklé po ozáření přímo reagovat s molekulami či ionty z okolí, což je zásadní jak pro senzorické, tak pro fotokatalytické využití,“ vysvětluje Michal Langer z IT4Innovations.
Na výzkumu se podíleli Michal Langer, Andrey L. Rogach a Michal Otyepka z IT4Innovations spolu s Lukášem Zdražilem z Centra energetických a environmentálních technologií a Silviem Osellou z Varšavské univerzity, a výzkum kombinoval počítačové simulace s experimenty. „Klíčovou roli v našem výzkumu sehrály superpočítače IT4Innovations, které umožnily rozsáhlé molekulární simulace a kvantově-chemické výpočty. Laboratorní experimenty se zhasínáním luminiscence pak potvrdily přístupnost excitovaných stavů k molekulám z okolního prostředí,“ dodává Michal Langer.
Tento objev poskytuje strukturní a mechanistické vysvětlení reaktivity uhlíkových teček s okolním prostředím a nabízí konkrétní vodítko, jak tyto nanomateriály cíleně navrhovat a optimalizovat. Vědci ve výzkumu publikovaném v časopise Carbon vysvětlují nejen základní fyzikálně-chemické mechanismy, ale otevírají cestu k nanomateriálům s předvídatelným chováním, důležitým pro energetiku, ekologii i medicínu.
Odborný článek
Photoexcited species localize on solvent-accessible fluorophore-rich domains inside carbon dots
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121228
Výzkum byl podpořen projekty REFRESH – Research Excellence For REgion Sustainability and High-tech Industries (CZ.10.03.01/00/22_003/0000048) a Experimentální a teoretické studie luminoforů s chirálními uhlíkovými tečkami emitující blízké infračervené záření programu Global Experts (00734/2023/RRC).