Forbløffende grøn syntesemetode til højteknologiske farvestoffer

Farvestoffer, der også er af stor interesse for organisk elektronik, er for nylig blevet fremstillet og krystalliseret ved Wiens teknologiske universitet. Alt der kræves er vand, dog under højst usædvanlige forhold.

Disse farvestoffer imponerer ikke kun på grund af deres strålende og intense farve, de har også en vigtig teknologisk betydning:organiske farvestoffer er en klasse af materialer med ekstremt specielle egenskaber. Fra fladskærme til elektronisk papir til chipkort:i fremtiden, mange teknologier er sandsynligvis baseret på organiske molekyler som disse.

Tidligere, sådanne materialer kunne kun fremstilles ved hjælp af komplekse syntesemetoder, der er utroligt skadelige for miljøet. Imidlertid, forskere ved Vienna University of Technology har nu med succes syntetiseret flere typiske repræsentanter for denne materialeklasse på en helt ny og anderledes måde:giftige opløsningsmidler er blevet erstattet med vand. Men hvordan gøres dette? Når vandet opvarmes til ekstremt høje temperaturer, dens egenskaber ændrer sig betydeligt. Detaljer om den nye forberedelsesmetode, der for nylig er offentliggjort i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Angewandte Chemie .

Vandets egenskaber ændrer sig uden behov for tilsætningsstoffer

"Hvis du skulle lytte til din første mavefornemmelse, du ville faktisk have mistanke om, at vand er det værste opløsningsmiddel, man kan forestille sig, til at syntetisere og krystallisere disse molekyler, " siger Miriam Unterlass fra Institute of Materials Chemistry ved Vienna University of Technology. "Årsagen til denne forventning er, at de farvestoffer, vi producerer, er ekstremt vandafvisende." Hvis du, for eksempel, påfør en lille dråbe vand på noget tørt farvepulver, dråben ruller bare af. Farvestoffet kan ikke blandes med vand.

Men denne adfærd gælder kun for vand, som vi kender det fra daglig brug. Forskerne ved Vienna University of Technology brugte vand opvarmet til mindst 180°C i specielle trykbeholdere. Under disse forhold, trykket stiger drastisk, så størstedelen af ​​vandet forbliver flydende på trods af de forhøjede temperaturer. Vandets kemiske og fysiske egenskaber ændrer sig drastisk under disse forhold.

For varmt til hydrogenbinding

"Koldens egenskaber, flydende vand er stærkt påvirket af det, der er kendt som hydrogenbinding, " forklarer Miriam Unterlass. "Dette er svage bindinger mellem vandmolekyler, der konstant brydes og omdannes." I gennemsnit, hvert vandmolekyle er knyttet til tre eller fire andre vandmolekyler til enhver tid ved stuetemperatur. I en trykkoger, antallet af disse hydrogenbindinger pr. molekyle falder.

"Det betyder også, at mange flere ioner er til stede i vand ved høje temperaturer end under standardforhold - en vis mængde H ₂ O-molekyler kan blive til H ₃ O+ eller OH-, " forklarer Unterlass. Og dette ændrer vandets egenskaber dramatisk:i en vis forstand, den opfører sig som en syre og en base på samme tid – den kan fungere både som en sur og en basisk katalysator og derfor accelerere visse reaktioner eller endda aktivere dem i første omgang.

Blandt andet, det højere antal ioner i vandet ved forhøjede temperaturer er en nøgleårsag til at lette opløsningen af ​​organiske stoffer, der er fuldstændig uopløselige under normale forhold. Følgelig, de undersøgte farvestofmolekyler kan ikke kun syntetiseres i vand, men også krystalliseret:de opløses ved tilstrækkelig høje temperaturer og krystalliserer derefter, efterhånden som de afkøles.

"Normalt, giftige opløsningsmidler er nødvendige for at fremstille eller krystallisere sådanne farvestoffer. I vores tilfælde, selvom, rent vand viser de ønskede opløsningsmiddelegenskaber – alt hvad du behøver er tryk og varme, " siger Miriam Unterlass.

Krystaller til morgendagens elektronik

"I en meget krystallinsk tilstand – altså i en høj grad af orden på molekylært niveau – forbedres disse materialers elektroniske egenskaber. Det er derfor særligt vigtigt for anvendelser inden for organisk elektronik at have en høj grad af kontrol over krystallisationsprocessen, " siger Unterlass.

For disse krystaller dog der er også nogle meget forskellige potentielle anvendelser. "De kan bruges overalt, hvor kravene til farvestoffer er ret krævende, " siger Unterlass. "En sådan anvendelse ville være billak, eller andre områder, hvor ekstreme kemiske eller termiske forhold hersker, da materialerne også bliver mere stabile, jo mere krystallinske de er."