Design af et nyt fluorescerende hybridmateriale, der skifter farve i henhold til lysets retning

UPV/EHU’s Molecular Spectroscopy Group, i samarbejde med Institute of Catalysis and Petroleum Chemistry i CSIC (Spanish National Research Council), har udviklet et meget fluorescerende hybridmateriale, der skifter farve afhængigt af polariseringen af ​​lyset, som det belyses af. Forskningen er blevet offentliggjort i ACS Photonics , det nye tidsskrift udelukkende afsat til Photonics udgivet af American Chemical Society.

Målet med hybridmaterialer med en organisk komponent og en anden uorganisk komponent er at kombinere de bedste egenskaber for hver enkelt i et enkelt system. Labs over hele verden arbejder på at udvikle nye hybridmaterialer til teknologiske anvendelser inden for nanoteknologier, i særdeleshed, og disse materialer bruges allerede i lette materialer til biler, sportsudstyr, i biomimetiske materialer, som proteser, etc.

Det hybridmateriale, som forskergruppen i Institut for Fysisk Kemi efterspørger, skulle opfylde en række meget specifikke krav. Værtsorganisk materiale skulle have en krystallinsk struktur med parallelle nanokanaler, så molekylerne i det organiske gæstemateriale, et farvestof, kunne justeres; størrelsen af ​​værtens porer skulle være mindre end 1 nm (en milliondel af en millimeter), så farvestoffet lige ville passe; endelig, ikke bare en, men to farvestoffer af lignende størrelse og form var nødvendige, men de skulle have komplementære optiske egenskaber, der ville reagere forskelligt, når de blev stimuleret af lys.

Så den største udfordring var at opnå den perfekte pasform mellem den uorganiske nanostruktur og farvestofmolekylerne. De opnåede det ved at bruge som værtsmateriale et aluminophosphat (AIPO-11), der har en passende porestørrelse til at rumme farvestoffer med en struktur af tre smeltede benzenringe, ligesom de udvalgte:pyronin, med grøn fluorescens, og acridin, med blå fluorescens. ”Farvestofferne kommer ind i rækkefølge, de justerer sig langs nanokanalerne, og deres fluorescerende egenskaber er forbedret i dem, ”Forklarede Virginia Martinez, en Ramón y Cajal -forsker i Molecular Spectroscopy -gruppen. Forbedringen skyldes ikke kun, at farvestoffets molekylære fleksibilitet er begrænset, men også fordi sidstnævnte er inkluderet monomerisk, med andre ord, den går ind i kanalen i separate enheder, og takket være det er de meget selvlysende, fordi fluorescensen går tabt, når de tilføjes.

For at opnå den perfekte pasform, synteseproceduren spillede en grundlæggende rolle. Som regel, i fotoaktive hybridmaterialer indsættes den organiske del i den uorganiske del fra gas- eller væskefasen ved hjælp af diffusion, men med denne metode blev det okklusionsniveau, som denne forskning havde brug for, ikke opnået. Så de valgte at indsætte farvestoffet i gelen, hvormed det uorganiske materiale syntetiseres, således at efterhånden som krystallen voksede, ville den organiske kromofor gradvist blive inkorporeret.

I begyndelsen, de indsatte et enkelt farvestof, pyronin, og opnåede et meget selvlysende materiale. Faktisk, ved hjælp af konfokal fluorescensmikroskopi, de registrerede en næsten total justering af farvestofmolekylerne langs kanalen (dikroisk forhold på 40), en justering, der ikke tidligere var blevet rapporteret.

De fortsatte derefter med at inkorporere pyronin og acridin i synteseprocessen på samme tid og opnåede rektangulære krystaller på 30 x 20 mikron, der påfaldende ændrede farve afhængigt af polariseringen af ​​det lys, de blev belyst af:hvis polarisationen fandt sted langs kanal blev det set som grønt; hvis det skete vinkelret, den viste farven blå. Denne adfærd indikerede, at en energioverførsel fandt sted mellem farvestofferne.

”Farveindstillingen er også øjeblikkelig, effektiv proces, der kan vendes fuldstændigt og gengives med høj modstandsdygtighed over for træthed, "påpegede Iñigo López-Arbeloa. Så de potentielle anvendelser af fotoaktive hybridmaterialer af denne type er mange:de kan bruges som antenne i fotovoltaiske celler, at gemme oplysninger, i fotoniske kabler, i lasersystemer, osv. Faktisk, det nye hybridmateriale udgør et fremskridt i udviklingen af ​​afstembare solid-state lasere, af stor biomedicinsk interesse, da de er lettere at bruge og mindre forurenende end de væsker, der i øjeblikket bruges.