Vật liệu huỳnh quang sáng nhất lịch sử ra đời

Thuốc nhuộm huỳnh quang là các hợp chất hữu cơ hấp thụ ánh sáng có bước sóng nhất định và phát ra ánh sáng có bước sóng khác. Chúng đóng một vai trò quan trọng trong lĩnh vực đánh dấu sinh học và công nghệ năng lượng mặt trời. Thuốc nhuộm huỳnh quang truyền thống phát ra ánh sáng ở trạng thái lỏng, nhưng khi chúng được chế tạo thành vật liệu rắn, do sự tương tác giữa các phân tử huỳnh quang, hầu như không có thuốc nhuộm nào có thể duy trì hiệu suất phát quang tuyệt vời ban đầu, điều này hạn chế ứng dụng và chuyển đổi của nó.

Một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Flood từ Đại học Indiana và Giáo sư Laursen từ Đại học Copenhagen ở Đan Mạch dẫn đầu đã tìm ra giải pháp cho vấn đề khiến các nhà khoa học đau đầu suốt 150 năm qua. Bằng cách trộn thuốc nhuộm huỳnh quang với dung dịch không màu chứa hợp chất vòng lớn-cyanostar, nó đông đặc lại tạo thành mạng cô lập ion phân tử nhỏ (SMILES) nhằm ngăn chặn sự tương tác giữa các phân tử huỳnh quang, kết hợp hoàn hảo các đặc tính quang học của thuốc nhuộm. Các đặc tính được tái tạo trong vật liệu rắn, tạo ra độ sáng nhất vật liệu huỳnh quang bao giờ hết.

Huỳnh quang rất quan trọng đối với nhiều công nghệ trong lĩnh vực quang học (chẳng hạn như OLED). Một số lượng lớn vật liệu huỳnh quang được điều chế bằng cách trộn và kết hợp các đơn vị cấu trúc ion để kiểm soát các đặc tính quang học, bao gồm cả perovskite chì halogenua mang tính cách mạng. Huỳnh quang cũng dễ dàng nhận thấy ở nhiều phân tử thuốc nhuộm, chúng phát quang sáng trong dung dịch loãng.

Mặc dù hơn 100.000 Thuốc nhuộm huỳnh quang được biết là đã tồn tại nhưng hầu như không có loại thuốc nhuộm nào có thể phù hợp và thiết kế các vật liệu phát quang theo cách có thể dự đoán được. Các phân tử vật chất rắn được chuyển hóa từ chúng được sắp xếp chặt chẽ và giao thoa với nhau, dẫn đến hiện tượng dập tắt huỳnh quang và các electron. Vấn đề khớp nối. Hơn nữa, màu của thuốc nhuộm sẽ thay đổi sau khi chuyển sang trạng thái rắn và hiệu suất lượng tử cũng sẽ giảm.

Để chế tạo thuốc nhuộm huỳnh quang hiệu suất cao thành vật liệu huỳnh quang trạng thái rắn có đặc tính quang học tuyệt vời, điều quan trọng là tránh sự ghép nối và làm nguội phát xạ. Trong công việc trước đây, nhiều chiến lược để tránh sự dập tắt dựa vào sự cách ly không gian của fluorophores. Các nhà khoa học sử dụng thuốc nhuộm cation và anion lớn để đồng lắp ráp (co-assembly), mặc dù tính chất quang học có thể được tái tạo nhưng không thể đạt được mục đích thiết kế vật liệu theo nhu cầu.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Flood và Giáo sư Laursen đã sử dụng một phân tử tuần hoàn có tên là cyanostar để tách các phần tử tích điện dương. phân tử thuốc nhuộm huỳnh quang và các anion phản ứng của chúng. Các phân tử cyanostar giống như bánh rán, anion phản ứng được bọc trong các lỗ rỗng và thuốc nhuộm cation nằm ở bên ngoài. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng nhiều loại thuốc nhuộm thương mại để xác minh khả năng ứng dụng phổ biến của vật liệu SMILES và nhận thấy rằng các đặc tính của cyanostar cho phép nó dễ dàng phù hợp với hầu hết mọi loại thuốc nhuộm cation và tái tạo hoàn hảo các đặc tính phát quang ban đầu. Mặc dù nghiên cứu trước đây đã phát triển phương pháp sử dụng các phân tử vòng lớn để tách thuốc nhuộm, nhưng nó vẫn dựa vào các vòng vòng lớn có màu để hoàn thành công việc này và không thể tái tạo hoàn hảo các đặc tính quang học của thuốc nhuộm lỏng. Trong nghiên cứu của Giáo sư Flood và Giáo sư Laursen, điểm đổi mới là quá trình kết tinh vật liệu đồng thời tạo ra sự cách ly về không gian và điện tử của chất phát huỳnh quang, đồng thời giúp sử dụng thuốc nhuộm cation để thiết kế, hiểu và khám phá các vật liệu quang học tiên tiến một cách hợp lý, từ đó lập kế hoạch liền mạch từ phân tử đến nhắm mục tiêu các đặc tính quang học của vật liệu.

Vật liệu SMILES là loại vật liệu quang học 'cắm và chạy' đầu tiên bao gồm thuốc nhuộm huỳnh quang. Thuốc nhuộm có thể được sử dụng trực tiếp trong vật liệu SMILES mà không cần tối ưu hóa hoặc điều chỉnh. Giáo sư Flood cho biết: 'Bây giờ chúng tôi có thể sản xuất nhiều vật liệu quang học tiên tiến hơn thông qua thiết kế thay vì thử và sai. Đây chính là sức mạnh của vật liệu này.'

Chất liệu SMILES hiện nay đã được biết đến vật liệu huỳnh quang có độ sáng cao nhất trên một đơn vị thể tích. Một trong những ứng dụng tiềm năng của nó là giúp các phương tiện tự hành xác định vị trí của chúng trên đường. Chiếc xe phát ra ánh sáng tới một vật thể được mã hóa bằng vật liệu SMILES ở bên đường, nhận tín hiệu phản hồi và thu thập thông tin vị trí. Ngoài ra, vật liệu SMILES còn có thể được sử dụng trong pin mặt trời, laser trạng thái rắn, chẩn đoán y tế, dấu ấn sinh học và màn hình 3D.