Kemikere skaber de lyseste fluorescerende materialer nogensinde

Ved at formulere positivt ladede fluorescerende farvestoffer til en ny klasse af materialer kaldet små molekyle ioniske isolationsgitter (SMILES), en forbindelses strålende glød kan problemfrit overføres til et fast stof, krystallinsk tilstand, forskere rapporterer 6. august i tidsskriftet Chem . Fremskridtet overvinder en langvarig barriere for udvikling af fluorescerende faste stoffer, resulterer i de lyseste kendte materialer, der findes.

"Disse materialer har potentielle anvendelser i enhver teknologi, der har brug for lys fluorescens eller kræver design af optiske egenskaber, inklusive høst af solenergi, bioimaging, og lasere, " siger Amar Flood, kemiker ved Indiana University og medseniorforfatter på undersøgelsen sammen med Bo Laursen fra Københavns Universitet.

"Uden over disse, der er interessante applikationer, der inkluderer opkonvertering af lys til at fange mere af solspektret i solceller, lys-omskiftelige materialer, der anvendes til informationslagring og fotokromisk glas, og cirkulært polariseret luminescens, der kan bruges i 3-D skærmteknologi, " siger Flood.

Mens der i øjeblikket er mere end 100, 000 forskellige fluorescerende farvestoffer tilgængelige, næsten ingen af ​​disse kan blandes og matches på forudsigelige måder for at skabe solide optiske materialer. Farvestoffer har en tendens til at undergå "slukning", når de går ind i en fast tilstand på grund af, hvordan de opfører sig, når de pakkes tæt sammen, reducere intensiteten af ​​deres fluorescens for at producere en mere dæmpet glød.

"Problemet med quenching og inter-dye kobling opstår, når farvestofferne står skulder-til-skulder inde i faste stoffer, " siger Flood. "De kan ikke lade være med at 'røre' hinanden. Som små børn, der sidder til historie, de blander sig i hinanden og holder op med at opføre sig som individer."

For at overvinde dette problem, Flood og kolleger blandede et farvet farvestof med en farveløs opløsning af cyanostar, et stjerneformet makrocyklisk molekyle, der forhindrer de fluorescerende molekyler i at interagere, når blandingen størkner, holder deres optiske egenskaber intakte. Da blandingen blev et fast stof, SMIL dannet, som forskerne så voksede til krystaller, udfældet til tørre pulvere, og til sidst spundet til en tynd film eller inkorporeret direkte i polymerer. Da cyanostjerne-makrocyklerne danner byggeklodser, der genererer et gitterlignende skakbræt, forskerne kunne simpelthen sætte et farvestof ind i gitteret og, uden yderligere justeringer, strukturen ville få sin farve og udseende.

Mens tidligere forskning allerede havde udviklet en tilgang til at adskille farvestofferne ved hjælp af makrocykliske molekyler, den var afhængig af farvede makrocykler til at udføre arbejdet. Flood og kolleger fandt ud af, at farveløse makrocykler var nøglen.

"Nogle mennesker tror, ​​at farveløse makrocykler er uattraktive, men de tillod isolationsgitteret til fuldt ud at udtrykke den lyse fluorescens af farvestofferne, der ikke var behæftet med farverne på makrocyklerne, " siger Flood.

Næste, forskerne planlægger at udforske egenskaberne af fluorescerende materialer dannet ved hjælp af denne nye teknik, gør det muligt for dem at arbejde med farveproducenter i fremtiden for at realisere materialernes fulde potentiale i en række forskellige anvendelser.

"Disse materialer er helt nye, så vi ved ikke, hvilke af deres medfødte egenskaber, der faktisk vil tilbyde overlegen funktionalitet, " siger Flood. "Vi kender heller ikke materialernes grænser. Så, vi vil udvikle en grundlæggende forståelse af, hvordan de fungerer, giver et robust sæt designregler til fremstilling af nye egenskaber. Dette er afgørende for at lægge disse materialer i hænderne på andre - vi ønsker at forfølge crowd sourcing og arbejde sammen med andre i denne indsats."