Chemiker schaffen die hellsten fluoreszierenden Materialien aller Zeiten

11.08.2020 - USA

Durch die Formulierung positiv geladener Fluoreszenzfarbstoffe in eine neue Klasse von Materialien mit der Bezeichnung "small-molecule ionic isolation lattices" (SMILES) kann das brillante Glühen einer Verbindung nahtlos in einen festen, kristallinen Zustand überführt werden, berichten Forscher am 6. August in der Zeitschrift Chem. Der Fortschritt überwindet eine seit langem bestehende Barriere bei der Entwicklung fluoreszierender Feststoffe, was zu den hellsten bekannten Materialien führt, die es gibt.

"Diese Materialien haben potentielle Anwendungen in jeder Technologie, die helle Fluoreszenz benötigt oder die die Gestaltung optischer Eigenschaften erfordert, einschließlich Solarenergie-Ernte, Bioimaging und Laser", sagt Amar Flood, Chemiker an der Universität Indiana und zusammen mit Bo Laursen von der Universität Kopenhagen Co-Senior-Autor der Studie.

"Darüber hinaus gibt es interessante Anwendungen wie die Aufwärtskonvertierung von Licht, um einen größeren Teil des Sonnenspektrums in Solarzellen einzufangen, lichtschaltbare Materialien, die zur Informationsspeicherung verwendet werden, und photochromes Glas sowie zirkular polarisierte Lumineszenz, die in der 3D-Darstellungstechnologie verwendet werden kann", sagt Flood.

Farbwechsel zeigt Schäden im Material an

Fluoreszenz zeigt überbeanspruchte Teile an

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Obwohl es derzeit mehr als 100.000 verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe gibt, kann fast keiner davon auf vorhersehbare Weise gemischt und aufeinander abgestimmt werden, um feste optische Materialien herzustellen. Farbstoffe neigen dazu, beim Eintritt in den Festkörperzustand "abzulöschen", was darauf zurückzuführen ist, wie sie sich verhalten, wenn sie dicht aneinander gepackt werden, wobei die Intensität ihrer Fluoreszenz verringert wird, um ein gedämpfteres Leuchten zu erzeugen.

"Das Problem des Quenchens und der Kopplung zwischen den Farbstoffen tritt auf, wenn die Farbstoffe Schulter an Schulter in Festkörpern stehen", sagt Flood. "Sie können nicht anders, als sich gegenseitig zu 'berühren'. Wie kleine Kinder, die zur Märchenzeit sitzen, stören sie sich gegenseitig und hören auf, sich als Individuen zu verhalten.

Um dieses Problem zu überwinden, mischten Flood und Kollegen einen farbigen Farbstoff mit einer farblosen Lösung von Cyanostar, einem sternförmigen Makrozyklus-Molekül, das verhindert, dass die fluoreszierenden Moleküle beim Erstarren der Mischung miteinander wechselwirken, so dass ihre optischen Eigenschaften erhalten bleiben. Als die Mischung fest wurde, bildete sich SMILES, die die Forscher dann zu Kristallen züchteten, zu trockenen Pulvern ausfällten und schließlich zu einem dünnen Film versponnen oder direkt in Polymere eingebaut wurden. Da die Cyanostar-Makrozyklen Bausteine bilden, die ein gitterartiges Schachbrettmuster erzeugen, konnten die Forscher einfach einen Farbstoff in das Gitter stecken, und ohne weitere Anpassungen würde die Struktur ihre Farbe und ihr Aussehen annehmen.

Während frühere Forschungen bereits einen Ansatz entwickelt hatten, die Farbstoffe mit Hilfe von Makrozyklus-Molekülen voneinander zu trennen, verließ man sich dabei auf farbige Makrozyklen. Flood und Kollegen fanden heraus, dass farblose Makrozyklen entscheidend waren.

"Einige Leute denken, dass farblose Makrozyklen unattraktiv sind, aber sie erlaubten es dem Isolationsgitter, die helle Fluoreszenz der Farbstoffe, die nicht durch die Farben der Makrozyklen behindert wird, vollständig auszudrücken", sagt Flood.

Als Nächstes planen die Forscher, die Eigenschaften von fluoreszierenden Materialien zu erforschen, die mit dieser neuartigen Technik hergestellt werden, damit sie in Zukunft mit Farbstoffherstellern zusammenarbeiten können, um das volle Potenzial der Materialien in einer Vielzahl verschiedener Anwendungen auszuschöpfen.

"Diese Materialien sind völlig neu, so dass wir nicht wissen, welche ihrer angeborenen Eigenschaften tatsächlich eine überlegene Funktionalität bieten werden", sagt Flood. "Wir kennen auch nicht die Grenzen der Materialien. Daher werden wir ein grundlegendes Verständnis für ihre Funktionsweise entwickeln und einen robusten Satz von Konstruktionsregeln für die Herstellung neuer Eigenschaften bereitstellen. Dies ist entscheidend, um diese Materialien in die Hände anderer zu legen - wir wollen Crowd Sourcing betreiben und mit anderen in diesem Bemühen zusammenarbeiten.

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