3D-gedruckte Kreisel aus dem neuen Material. (Amar-Flut) Die Welt verfügt über ein neues, hellstes fluoreszierendes Material, und es ist das erste seiner Art. Anstatt zu versuchen, fluoreszierende Moleküle zu verbessern, hat ein Team von Chemikern ein neues Material entwickelt, das die optischen Eigenschaften fluoreszierender Farbstoffe bewahrt.
Dies verhindert wirksam eines der größten Probleme bei der Herstellung fluoreszierender Materialien – die Tendenz fluoreszierender Farbstoffe, zu verblassen und die Farbe zu ändern, wenn sie aus einer Flüssigkeit in einen festen Zustand umgewandelt werden. Und die Arbeit wird nicht nur zum Spaß gemacht.
„Diese Materialien haben potenzielle Anwendungen in jeder Technologie, die helle Fluoreszenz benötigt oder die Gestaltung optischer Eigenschaften erfordert, einschließlich Solarenergiegewinnung, Bioimaging und Laser.“ sagte der Chemiker Amar Flood der Indiana University.
„Darüber hinaus gibt es interessante Anwendungen, die Folgendes umfassen: Hochkonvertierung Licht, um einen größeren Teil des Sonnenspektrums in Solarzellen einzufangen, lichtschaltbare Materialien zur Informationsspeicherung und photochromes Glas sowie zirkular polarisierte Lumineszenz, die in der 3D-Anzeigetechnologie verwendet werden kann.
Fluoreszierende Moleküle absorbieren Licht und geben es dann bei längeren Wellenlängen mit niedrigerer Energie wieder ab. Sie gehen weit über die Textmarker hinaus, die Sie in Ihren Schulnotizen verwendet haben, und haben viele praktische Anwendungen, von fluoreszierenden Biomarkern in der Zellforschung bis hin zur OLED-Bildschirmtechnologie.
Von den mehr als 100.000 bisher entwickelten Fluoreszenzfarbstoffen lässt sich jedoch fast keiner vorhersehbar und zuverlässig mischen; Die Herstellung fester fluoreszierender Materialien ist ebenso anspruchsvoll. Wenn die Farbstoffe in einen Feststoff umgewandelt werden, neigen sie dazu, zu löschen (eine Abschwächung der Helligkeit), ihre Farben ändern sich und ihre Farbe ändert sich Quanteneffizienz degradiert.
Es ist nicht so, dass Chemiker nicht verstehen, warum das passiert. Es handelt sich um ein gut verstandenes Phänomen namens Exzitonenkopplung. Wenn die Farbstoffe in einen Feststoff umgewandelt werden, werden sie eng aneinander gepackt, was zu einer Kopplung führt.
Die optischen Veränderungen, die sich aus dieser Kopplung ergeben, sind schwer vorherzusagen, aber man kann mit Sicherheit sagen, dass es sehr schwierig ist, die optischen Eigenschaften einer fluoreszierenden Flüssigkeit zuverlässig auf einen Feststoff zu übertragen.
3D-gedruckte Formen mit dem neuen Material. (Amar-Flut)
„Das Problem des Abschreckens und der Kopplung zwischen Farbstoffen tritt auf, wenn die Farbstoffe in Feststoffen Seite an Seite stehen.“ sagte Flood . „Sie können nicht anders, als sich gegenseitig zu ‚berühren‘.“ „Wie kleine Kinder, die beim Geschichtenerzählen sitzen, stören sie sich gegenseitig und verhalten sich nicht mehr als Individuen.“
Daher entwickelte das Team eine Lösung für das Problem, die darauf beruhte, die fluoreszierenden Moleküle auseinanderzuhalten. Sie nahmen eine farblose Lösung von Makrocyclische Moleküle sogenannte Cyanostars, und vermischte sie mit dem Fluoreszenzfarbstoff.
Diese Verwendung von Makrozyklen – einer großen Klasse ringförmiger Moleküle – ist keine neue Idee, und andere haben sie bereits versucht. Der große Unterschied besteht jedoch darin, dass diese früheren Versuche verwendet wurden farbig Makrozyklen.
Als die neue Lösung trocknete, bildete sich das, was das Team „Small-Molecule Ionic Isolation Lattices“ (SMILES) nannte, das die Farbstoffmoleküle effektiv voneinander trennte, sie an Wechselwirkungen hinderte und ihre optischen Eigenschaften mit hoher Wiedergabetreue bewahrte.
„Manche Leute halten farblose Makrozyklen für unattraktiv, aber sie haben es dem Isolationsgitter ermöglicht, die helle Fluoreszenz der Farbstoffe vollständig zum Ausdruck zu bringen, ohne durch die Farben der Makrozyklen beeinträchtigt zu werden.“ sagte Flood .
Die neuen Materialien unter Weißlicht (links) und UV-Licht (rechts). (Amar-Flut)
Dieses Material kann dann in mehrere Richtungen aufgenommen werden. Es kann zu Kristallen gezüchtet werden; es kann ein trockenes Pulver bilden; oder es kann direkt in Polymere eingebaut werden. Die Forscher fanden heraus, dass es mit mehreren kommerziell erhältlichen Fluoreszenzfarbstoffen perfekt funktionierte. sagten sie in ihrer Zeitung , „Markieren Sie diese Materialien als Plug-and-Play“.
Das bedeutet, dass jeder derzeit verfügbare Fluoreszenzfarbstoff sofort mit der Makrozykluslösung des Teams zusammenarbeiten sollte, um ein herrlich leuchtendes, festes Material zu erzeugen, das die Eigenschaften des flüssigen Farbstoffs genau beibehält.
Aber es gibt noch viel zu tun, bevor wir an diesem Punkt angelangt sind. Der erste Schritt war die Entwicklung des Materials. Jetzt muss das Team es studieren.
„Diese Materialien sind völlig neu, daher wissen wir nicht, welche ihrer inhärenten Eigenschaften tatsächlich eine überlegene Funktionalität bieten werden“, sagte Flood .
„Wir kennen auch die Grenzen der Materialien nicht.“ Daher werden wir ein grundlegendes Verständnis ihrer Funktionsweise entwickeln und einen robusten Satz von Designregeln für die Erstellung neuer Immobilien bereitstellen. Dies ist von entscheidender Bedeutung, um diese Materialien in die Hände anderer zu geben – wir wollen Crowdsourcing betreiben und dabei mit anderen zusammenarbeiten.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Zellpresse .