Das hellste fluoreszierende Material der Geschichte ist geboren

Fluoreszierende Farbstoffe sind organische Verbindungen, die Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbieren und Licht einer anderen Wellenlänge emittieren. Sie spielen eine wichtige Rolle in den Bereichen Biomarking und Solartechnologie. Herkömmliche Fluoreszenzfarbstoffe emittieren Licht in flüssigem Zustand. Wenn sie jedoch zu festen Materialien verarbeitet werden, kann aufgrund der Wechselwirkung zwischen fluoreszierenden Molekülen fast kein Farbstoff seine ursprüngliche hervorragende Lumineszenzleistung beibehalten, was seine Anwendung und Umwandlung einschränkt.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Flood von der Indiana University und Professor Laursen von der Universität Kopenhagen in Dänemark hat eine Lösung für dieses Problem gefunden, das Wissenschaftler seit 150 Jahren beschäftigt. Durch Mischen des fluoreszierenden Farbstoffs mit einer farblosen Lösung, die eine makrozyklische Cyanostar-Verbindung enthält, verfestigt er sich zu einem kleinen Molekül-Ionenisolationsgitter (SMILES), um die Wechselwirkung zwischen fluoreszierenden Molekülen zu verhindern, wodurch die optischen Eigenschaften des Farbstoffs perfekt kombiniert werden. Die Eigenschaften werden in festen Materialien reproduziert und erzeugen so die hellsten fluoreszierendes Material überhaupt.

Fluoreszenz ist für viele Technologien im optischen Bereich (z. B. OLED) von großer Bedeutung. Eine große Anzahl fluoreszierender Materialien wird durch Mischen und Anpassen ionischer Struktureinheiten zur Steuerung optischer Eigenschaften hergestellt, darunter das revolutionäre Bleihalogenid-Perowskit. Fluoreszenz ist auch bei vielen Farbstoffmolekülen leicht zu erkennen, die in verdünnten Lösungen helle Lumineszenz zeigen.

Obwohl mehr als 100.000 Es ist zwar bekannt, dass es fluoreszierende Farbstoffe gibt, aber es gibt fast keinen Farbstoff, der lumineszierende Materialien auf vorhersehbare Weise anpassen und gestalten kann. Die aus ihnen umgewandelten Feststoffmoleküle liegen eng beieinander und interferieren miteinander, was zu einer Fluoreszenzlöschung und Elektronenbildung führt. Kopplungsproblem. Darüber hinaus ändert sich die Farbe des Farbstoffs nach der Umwandlung in einen festen Zustand und auch die Quanteneffizienz nimmt ab.

Um leistungsstarke Fluoreszenzfarbstoffe in fluoreszierende Festkörpermaterialien mit hervorragenden optischen Eigenschaften umzuwandeln, ist die Vermeidung von Kopplung und Emissionslöschung der Schlüssel. In früheren Arbeiten basieren viele Strategien zur Umgehung des Quenchings auf der räumlichen Isolierung von Fluorophoren. Wissenschaftler verwenden kationische Farbstoffe und große Anionen zum Zusammenbauen (Koassemblierung). Obwohl optische Eigenschaften reproduziert werden können, können sie den Zweck der bedarfsgerechten Gestaltung von Materialien nicht erreichen.

Um dieses Problem zu lösen, verwendete das Forschungsteam von Professor Flood und Professor Laursen ein zyklisches Molekül namens Cyanostar, um die positiv geladenen Teilchen zu trennen Fluoreszenzfarbstoffmoleküle und ihre Gegenanionen. Die Cyanostar-Moleküle sind wie Donuts, das Gegenanion ist in die Hohlporen eingewickelt und der kationische Farbstoff befindet sich außerhalb. Die Forscher verwendeten verschiedene kommerzielle Farbstoffe, um die universelle Anwendbarkeit des SMILES-Materials zu überprüfen, und fanden heraus, dass Cyanostar aufgrund seiner Eigenschaften nahezu jeden kationischen Farbstoff problemlos aufnehmen und die ursprünglichen Lumineszenzeigenschaften perfekt reproduzieren kann. Obwohl frühere Forschungen eine Methode zur Verwendung makrozyklischer Moleküle zur Trennung von Farbstoffen entwickelt haben, sind sie zur Vervollständigung dieser Arbeit auf farbige makrozyklische Ringe angewiesen, und die optischen Eigenschaften flüssiger Farbstoffe können nicht perfekt reproduziert werden. In der Arbeit von Professor Flood und Professor Laursen besteht die Innovation darin, dass die Materialkristallisation gleichzeitig die räumliche und elektronische Isolierung des Fluorophors erzeugt und es ermöglicht, kationische Farbstoffe zu verwenden, um fortschrittliche optische Materialien rational zu entwerfen, zu verstehen und zu entdecken und so nahtlos von Molekülen bis hin zu optischen Eigenschaften des Materials zu planen.

SMILES-Materialien sind die erste Art von optischen „Plug-and-Play“-Materialien, die aus fluoreszierenden Farbstoffen bestehen. Farbstoffe können ohne Optimierung oder Anpassung direkt in SMILES-Materialien verwendet werden. Professor Flood sagte: „Wir können jetzt mehr von diesem fortschrittlichen optischen Material durch Design statt durch Versuch und Irrtum herstellen. Das ist die Stärke dieses Materials.“

SMILES-Materialien sind derzeit bekannt fluoreszierende Materialien mit der höchsten Helligkeit pro Volumeneinheit. Eine mögliche Anwendung besteht darin, autonomen Fahrzeugen dabei zu helfen, ihre Position auf der Straße zu bestimmen. Das Fahrzeug sendet Licht auf ein mit SMILES-Material codiertes Objekt am Straßenrand, empfängt das zurückgegebene Signal und erhält Standortinformationen. Darüber hinaus können SMILES-Materialien auch in Solarzellen, Festkörperlasern, medizinischen Diagnosen, Biomarkern und 3D-Displays eingesetzt werden.