通常，缺陷被认为是“坏”的东西，它会对材料的性能产生负面影响，使其不那么完美。然而，在某些纳米材料中，例如碳纳米管，这些“缺陷”可以产生一些“好的”东西，并使新的功能成为可能。在这里，精确的缺陷类型是至关重要的。碳纳米管由卷起来的六边形sp2碳原子晶格片组成，就像它们在苯中也存在一样。这些空心管直径约为一纳米，长可达几微米。
碳纳米管的光学特性可以通过缺陷来改善，该碳纳米管由sp2碳原子的卷起的六边形晶格组成。一种新的反应途径能够选择性地产生光学活性的sp3缺陷。即使在室温下，它们也可以发射近红外的单光子。
通过一定的化学反应，晶格中的几个sp2碳原子可以转化为sp3碳，甲烷或钻石中也有。这改变了碳纳米管的局部电子结构，并导致了一个光学活性缺陷。这些sp3缺陷在近红外波段发出的光更远，总体上比未被功能化的纳米管更发光。由于碳纳米管的几何形状，引入sp3碳原子的精确位置决定了缺陷的光学性质。不幸的是，到目前为止，对缺陷形成的控制还非常有限，研究人员说。
海德堡大学的科学家和她的团队近展示了一种新的化学反应途径，该途径能够控制缺陷并选择性地产生一种特定类型的sp3缺陷。这些光学活性缺陷比之前引入的任何“缺陷”都“更好”。研究人员解释说，它们不仅更发光，而且在室温下还显示出单光子发射。在这个过程中，一次只能发射一个光子，这是量子密码学和高度安全通信的先决条件。
据研究人员说，这种新的功能化方法，亲核加成，非常简单，不需要任何特殊设备。我们才刚刚开始探索这种技术的潜在应用。许多化学和光物理方面仍然是未知的。然而，我们的目标是创造出更好的缺陷。
本研究的目标是理解和设计碳纳米管缺陷的电子和光学特性。
这些缺陷之间的化学差异很微妙，所需的结合配置通常只在少数纳米管中形成。能够制造出具有特定缺陷和缺陷密度可控的大量纳米管，为光电器件和电泵单光子源铺平了道路，这是量子密码学未来应用所需要的，相关人员说。