Verknüpfte Lanthanide beleuchten das Gebiet der Kristalltechnik
Metalle der Seltenen Erden können, wenn sie miteinander verbunden sind, als Leiter für den Energiefluss dienen und ermöglichen die Entwicklung neuer Materialien
Wissenschaftler haben zwei weiche Kristalle miteinander verbunden und eine Energieübertragung zwischen ihnen beobachtet - eine Erkenntnis, die zur Entwicklung hochentwickelter, reaktionsfähiger Materialien führen könnte. Die Studie von Wissenschaftlern der Hokkaido Universität in Japan wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Lichtmikroskopische Aufnahme der in dieser Studie verwendeten verknüpften Lanthanid-Weichkristalle; der Dysprosium-Kristall ist links und der Terbium-Kristall rechts zu sehen.
Pedro Paulo Ferreira da Rosa, et al. Nature Communications. July 5, 2022
Weiche Kristalle sind flexible molekulare Festkörper mit hoch geordneten Strukturen. Wenn sie äußeren Reizen wie Dampf oder Reibung ausgesetzt werden, ordnen sich ihre molekularen Strukturen neu und sie reagieren, indem sie ihre Form, Farbe oder Lumineszenz ändern.
"Wir wollten wissen, was passieren würde, wenn wir weiche Kristalle auf molekularer Ebene miteinander verbinden würden", sagt Yasuchika Hasegawa, Materialchemiker an der Hokkaido Universität und Hauptautor der Studie. Hasegawa und sein Team verwendeten Seltenerdmetalle, so genannte Lanthanide, deren Ionen ähnlich große Radien haben und daher ähnliche Strukturen bilden. Lanthanidverbindungen, von denen es 15 gibt, sind interessant, weil sie leuchten können.
Das Team untersuchte die Strukturen von Kristallen aus den Lanthaniden Terbium (Tb), das grün leuchtet, und Dysprosium (Dy), das gelb leuchtet. Das Team verknüpfte zunächst die Kristalle jedes Lanthanids einzeln und beobachtete die Strukturen und den Energietransfer innerhalb der Verbindungen. Anschließend nutzten sie diese Informationen, um Tb(III)- und Dy(III)-Kristalle über eine Pyridinbindung miteinander zu verbinden, und untersuchten die molekulare Struktur eines Energietransfers innerhalb des zusammengefügten "Molekülzugs".
Als sie das Dysprosium-Ende des Zuges mit blauem Licht anregten, beobachteten sie grüne Lumineszenz am gegenüberliegenden Terbium-Ende. Ihre Berechnungen ergaben, dass die Energie von einem Kristall zum anderen über eine Strecke von 150 Mikrometern übertragen wurde. "Diese Energieübertragungsstrecke ist die längste, die für Lanthanid-Koordinationspolymere oder komplexe Systeme berichtet wurde", sagt Hasegawa. Das Terbium-Ende leuchtete 0,60 Millisekunden lang weiter.
Die Verbindung weicher Kristalle könnte zur Bildung neuartiger Kristallstrukturen führen, die in Halbleitern, Lasern, optischen Fasern und Druckverfahren Anwendung finden könnten.
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