Nyt materiale udsender hvidt lys, når det udsættes for elektricitet

Forskere ved Nagoya University har udviklet en ny måde at lave stimuli-responsive materialer på en forudsigelig måde. De brugte denne metode til at designe et nyt materiale, en blanding af carbon nanorings og jod, som leder elektricitet og udsender hvidt lys, når det udsættes for elektricitet. Holdets nye tilgang kunne hjælpe med at generere en række pålidelige stimuli-responsive materialer, som kan bruges i hukommelsesenheder, kunstige muskler og medicinafgivelsessystemer, blandt andre applikationer.

Nagoya, Japan-Stimuli-responsive materialer ændrer deres egne egenskaber som reaktion på eksterne stimuli, såsom fotobestråling, varme, tryk og el. Denne funktion kan styres til en bred vifte af anvendelser, såsom i optiske diske, computerhukommelser og skærme, samt kunstige muskler og medicinafgivelsessystemer.

Forskere har arbejdet på at udvikle nye stimuli-responsive materialer på en forudsigelig måde. Imidlertid, det har været ekstremt vanskeligt at designe og kontrollere materialernes komplekse molekylære arrangementer.

Nu, en enkel og pålidelig metode til at syntetisere stimuli-responsive materialer er blevet udviklet af et team ledet af Nagoya University's JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project og Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM). Resultaterne af denne undersøgelse blev for nylig rapporteret i tidsskriftet Angewandte Chemie International Edition .

Den 'responsive porøse vært'-metode tager et molekyle med en porøs ramme og binder til det et 'gæste'-molekyle, der sandsynligvis vil reagere på eksterne stimuli. I dette tilfælde, teamet fandt ud af, at [10] cycloparaphenylen ([10] CPP), et carbonhydridmolekyle sammensat af 10 para-forbundne benzenringe, gjort til en ideel vært, når den kombineres med jod (I). Jod befandt sig inde i de porøse kulstofringe, og reagerede på elektrisk stimulering. Det ledte ikke kun elektricitet, det udsendte også et hvidt lys, hvilket er usædvanligt. Typisk, mange andre komponenter er nødvendige for at opnå den hvide farve. Dette viser potentialet i det nye materiale, [10]CPP-I, til næste generation af belysningssystemer.

"Denne 'responsive porøse vært' tilgang forventes at være anvendelig til forskellige stimuli, såsom fotobestråling, varmepåføring og pH-ændring, og åbne vejen for at udtænke en generisk strategi for udvikling af stimuli-responsive materialer på en kontrollerbar og forudsigelig måde, "sagde Dr. Hirotoshi Sakamoto, en gruppeleder af JST-ERATO-projektet.

Syntetisering af materialet er overraskende simpelt - forskerne blandede carbon nanorings (CPP) og jod sammen, og lad det tørre. Røntgenkrystallografi bekræftede, at jodmolekylerne står op inde i den hule kerne af de justerede nanoringer.

Holdet forsøgte flere variationer af blandingen, ændring af antallet af carbon nanoringer, og fandt ud af, at 10 ringe førte til den mest dynamiske jodatombevægelse og den mest følsomme reaktion på eksterne miljøændringer.

Når der blev anvendt en jævnstrøm på [10] CPP-I, prøvens bulk-resistivitet blev ca. 380 gange lavere, hvilket indikerer, at den førte elektricitet i stedet for at modstå elektrisk transmission. Bulk-resistiviteten i blandinger med 9 eller 12 nanoreringer faldt ikke nær så meget. Disse resultater viser, at porestørrelsen i nanoring-samlingen styrer responsen på elektrisk stimulation.

"En af de sværeste dele af denne forskning var at undersøge, hvordan den elektriske ledningsevne af [10]CPP-I tændes af elektriske stimuli, " sagde Dr. Noriaki Ozaki, en postdoc-forsker i JST-ERATO-projektet. "Selvom det kun tog os omkring tre måneder at syntetisere molekylet og opdage dets elektrisk-stimuli-responsive egenskaber, det tog endnu et år at opdage oprindelsen af ​​dens egenskaber."

Holdet fandt endelig ud af, hvordan den elektriske ledningsevne af [10]CPP-I tændes af elektriske stimuli, ved hjælp af røntgenabsorption nær-kant-spektroskopi (XANES), Raman spektroskopi, og fluorescensspektroskopi. Disse analyser viste, at jodatomerne i carbonnanoreringerne danner forlængede polyiodidkæder, når de stimuleres af elektricitet, hvilket gav materialet elektrisk ledningsevne.

Forskerne opdagede også, at elektriske stimuli kan skifte fotoluminescensfarven af ​​[10]CPP-I fra en grøn-blå farve til en hvid farve. Hvid luminescens betyder, at fluorescensspektret for [10]CPP-I dækker hele området for synligt lys. Spektral udvidelse tilskrives den uregelmæssige fordeling af de elektroniske strukturer af CPP'er, som er forårsaget af dannelsen af ​​polyiodidkæder. Den hvide luminescens af [10]CPP-I er et sjældent eksempel på hvidt belysningsmateriale fra en enkelt molekylær samling; emission af hvidt lys opnås normalt ved at blande flere komponenter i forskellige farver.

"Vi var virkelig begejstrede for at udvikle denne enkle, men kraftfulde metode til at opnå syntesen af ​​eksterne stimuli-respons materialer, " sagde professor Kenichiro Itami, direktør for JST-ERATO-projektet og centerdirektør for ITbM.