Перенос резонансної енергії від барвника до вуглецевої нанотрубки
Анотація
У цій роботі ми досліджували процес передачі енергії від флуорофора до електронних енергетичних рівнів одностінної вуглецевої нанотрубки. Останнім часом вуглецеві нанотрубки привернули значну увагу завдяки низці потенційних технологічних застосувань, таких як оптоелектронні пристрої, сенсори тощо. Функціоналізація нанотрубок флуорофорами призвела до цікавих фотофізичних властивостей. Передача енергії збудження є важливим фотофізичним процесом, який, як експериментально показано, відбувається, коли барвники функціоналізуються на нанотрубках. Натхненні цими експериментами, ми теоретично вивчили процес резонансної передачі енергії від флуорофора до одностінної вуглецевої нанотрубки. Ми використовували дипольне наближення для барвника, а не для нанотрубки, під час передачі енергії від барвника до нанотрубки. Резонансна передача енергії – це процес невипромінювальної передачі енергії від збудженого донора до акцептора. Коли передача включає енергію електронного збудження, а донор є флуоресцентним, це відомо як резонансна передача енергії флуоресценції (FRET). У FRET взаємодія між донором та акцептором є кулонівською. Диполі електронних переходів донора та акцептора взаємодіють електростатично, що призводить до залежності швидкості передачі від відстані між донором та акцептором. Ферстер досліджував цей процес теоретично. У підході Ферстера це апроксимується як взаємодія між відповідними диполями переходу. Металеві вуглецеві нанотрубки мають експоненціальну залежність від відстані, коли ћΩ < εg і коли d-5. Немає порогу для кількості енергії, яку можна передати металевим нанотрубкам. Навпаки, для напівпровідникових нанотрубок передача енергії не відбувається, якщо ћΩ ≥ εg – εb. Якщо ћΩ ≥ εb, то швидкість має залежність у межах d-5 дальньої дії. Але якщо εg > ћΩ ≥ εg – εb, то швидкість має експоненціальну залежність від відстані. Ми також враховуємо можливість передачі енергії до екситонів напівпровідникових трубок у нашому аналізі. Наші розрахунки показують, що швидкість передачі енергії від пірену до нанотрубки 5.5 є ефективною до відстаней порядку 16.5 нм.
Посилання
Valeur B. Molecular Fluorescence: Principles and Applications (Weinheim: Wiley-VCH, 2002). https://doi.org/10.1002/3527600248
May V., Kuhn O. Charge and Energy Transfer Dynamics in Molecular Systems (New York: Wiley-VCH, 2000).
Förster T. Intermolecular energy migration and fluorescence. Annals of Physics (Leipzig). 1948. 2: 55.
Stryer L., Haugland R. P. Energy transfer: a spectroscopic ruler. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1967. 58(2): 719. https://doi.org/10.1073/pnas.58.2.719
Swathi R. S., Sebastian K. L. Distance dependence of fluorescence resonance energy transfer. J. Chem. Sci. 2009. 121: 777. https://doi.org/10.1007/s12039-009-0092-x
Hennebicq E., Pourtois G., Scholes, G. D. Herz, L. M. Russell, D. M. Silva, C. Setayesh, S. Grimsdale, A. C. Müllen, K. Brédas, J. L., & Beljonne D. Exciton migration in rigid-rod conjugated polymers: An improved Förster model. J. American Chem. Soc. 2005. 127(13): 4744. https://doi.org/10.1021/ja0488784
Dykstra T. E., Hennebicq E., Beljonne D., Gierschner J., Claudio G., Bittner E. R., Knoester J., Scholes G. D. Conformational disorder and ultrafast exciton relaxation in PPV-family conjugated polymers. J. Phys. Chem. B. 2009. 113(3): 656. https://doi.org/10.1021/jp807249b
Campion A., Gallo A. R., Harris C. B., Robota H. J., Whitmore P. M. Electronic energy transfer to metal surfaces: a test of classical image dipole theory at short distances. Chem. Phys. Lett. 1980. 73(3): 447. https://doi.org/10.1016/0009-2614(80)80692-0
Chance R. R., Prock A., Silbey R. Molecular Fluorescence and Energy Transfer Near Interfaces. Advances in Chemical Physics. 1978. 37:1. https://doi.org/10.1002/9780470142561.ch1
Alivisatos A. P., Waldeck D. H., Harris C. B. Nonclassical behavior of energy transfer from molecules to metal surfaces: Biacetyl(3nπ*)/Ag(111). J. Chem. Phys. 1987. 82(1): 541. https://doi.org/10.1063/1.448778
Persson B. N. J., Lang N. D. Electron-hole-pair quenching of excited states near a metal. Phys. Rev. B. 1982. 26: 5409. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.26.5409
Swathi R. S., Sebastian K. L. Resonance energy transfer from a dye molecule to graphene. J. Chem. Phys. 2008. 129(5): 054703. https://doi.org/10.1063/1.2956498
Swathi R. S., Sebastian K. L. Long range resonance energy transfer from a dye molecule to graphene has (distance)(-4) dependence. J. Chem. Phys. 2009. 130(8): 086101. https://doi.org/10.1063/1.3077292
Sagar A., Kern K., Balasubramanian K. Marker-free on-the-fly fabrication of graphene devices based on fluorescence quenching. Nanotechnology. 2010. 21: 015303. https://doi.org/10.1088/0957-4484/21/1/015303
Kim J., Cote L. J., Kim F., Yuan W., Shull K. R., Huang, J. Graphene oxide sheets at interfaces. Journal of the American Chemical Society. 2010. 132(23): 8180. https://doi.org/10.1021/ja102777p
Xie L., Ling X., Fang Y., Zhang J., Liu, Z. Graphene as a substrate to suppress fluorescence in resonance Raman spectroscopy. Journal of the American Chemical Society. 2009. 131(29): 9890. https://doi.org/10.1021/ja9037593
Balasubramanian G., Chan I. Y., Kolesov R., Al-Hmoud M., Tisler J., Shin C., Kim C., Wojcik A., Hemmer P. R., Krueger A., Hanke T., Leitenstorfer A., Bratschitsch R., Jelezko F., Wrachtrup, J. Nanoscale imaging magnetometry with diamond spins under ambient conditions. Nature. 2008. 455(7213): 648. https://doi.org/10.1038/nature07278
Hernández-Martinez P. L., Govorov A. O. Exciton energy transfer between nanoparticles and nanowires. Phys. Rev. B. 2008. 78: 035314. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.035314
Avouris P., Appenzeller J., Martel R., Wind S.J. Carbon nanotube electronics. Proceedings of the IEEE. 2003. 91: 1772. https://doi.org/10.1109/JPROC.2003.818338
Azarenkov N. A., Beresnev V. M., Pohrebniak A. D., Malykov L. V., Turbyn P. V. Nanomateryalu, nanopokrutyia, nanotekhnolohyy (Kh.: KhNU ym. V. N. Karazyna, 2009) [in Ukrainian].
Li H. P., Kose M. E., Qu L. W., Lin Y., Martin R. B., Zhou B.,. Harruff B. A, Allard L. F., Sun Y. P. Excited-state energy transfers in single-walled carbon nanotubes functionalized with tethered pyrenes. J. Photochem. Photobiol. A. Chem. 2007. 185: 94. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2006.05.017
Yanagi K., Lakoubovskii K., Matsui H., Matsuzaki H., Okamoto H., Miyata Y., Maniwa Y., Kazaoui S., Minami N., Kataura H. Photosensitive Function of Encapsulated Dye in Carbon Nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 2007. 129: 4992. https://doi.org/10.1021/ja067351j
Álvaro M., Atienzar P., Bourdelande J. L., Garcia H. An organically modified single wall carbon nanotube containing a pyrene chromophore: fluorescence and diffuse reflectance laser flash photolysis study. Chem. Phys. Lett. 2004. 384: 119. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2003.12.010
Qu L., Martin R. B., Huang W., Fu K., Zweifel D., Lin Y., Sun Y. P., Bunker C. E., Harruff B. A., Gord J. R., Allard J. F. Interactions of functionalized carbon nanotubes with tethered pyrenes in solution. J. Chem. Phys. 2002. 117: 8089. https://doi.org/10.1063/1.1510745
Авторське право (c) 2025 O. Ю. Семчук, A. A. Білюк, О. О. Гаврилюк
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
