Op polymeren gebaseerde kamertemperatuur fosforescentie (RTP) materialen kunnen efficiënt worden ontwikkeld door fosforen covalent in te bedden in de polymeermatrix. Het proces is nog echter, zeer uitdagend op grote schaal vanwege inefficiënte bindingstechniek en tijdrovende covalente reacties. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Rui Tian, en een team van onderzoekswetenschappers van het State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering in China, stelde een schaalbare voorbereidingsaanpak voor RTP-materialen voor. Ze gebruikten de B-O-klikreactie tussen met boorzuur gemodificeerde fosforen en de polyhydroxypolymeermatrix. De moleculaire dynamica-simulaties toonden effectieve immobilisatie van fosforen om te resulteren in onderdrukte niet-stralingsovergangen en geactiveerde RTP-emissie. Het team voltooide deze B-O-klikreacties binnen 20 seconden in omgevingen en de strategie introduceerde een gemakkelijke klikchemie om de constructie van op polymeer gebaseerde RTP-polymeermaterialen te vereenvoudigen. De succesvolle resultaten van deze studie zullen grootschalige industriële productie van RTP-materialen mogelijk maken.

Op polymeren gebaseerde kamertemperatuurfosforescentie (RTP)-materialen hebben de afgelopen decennia meer aandacht gekregen op het gebied van flexibele organische elektronica vanwege meerdere voordelen, waaronder goede flexibiliteit, rekbaarheid en lage kosten. Onderzoekers hebben in het verleden ook grote vooruitgang waargenomen in de synthese van RTP-materialen op basis van polymeren. Twee hoofdcategorieën van de materiaalsynthese omvatten niet-gedoteerde polymeermaterialen met fosfor in de ruggengraat van het polymeer zelf en een tweede categorie fosforen ingebed in een polymeermatrix om gedoteerde RTP-polymeren te vormen. De gedoteerde materialen konden efficiënte RTP-polymere materialen construeren als resultaat van de polymeermatrix die niet-stralingsovergangen van fosforen onderdrukte om de RTP-generatie te activeren. Bestaande gedoteerde RTP-materialen worden geïmplementeerd via niet-covalente interacties (d.w.z. elektrostatische interacties of van der Waals-krachten) tussen fosforen en polymeermatrices, hoewel dergelijke interacties niet-gerichte zwakke schakels vormden die resulteerden in fasescheiding. Covalente verknoping zou dergelijke tekortkomingen kunnen overwinnen door sterke C-O-C-interacties te vormen.

Engineering kamertemperatuur fosforescentie (RTP) materialen met klikchemie

In dit werk, Tian et al. introduceerde een flexibele en katalysatorvrije klikreactie om covalent gekoppelde fosfor-polymeer RTP-materialen te synthetiseren. Ze construeerden het efficiënte materiaal door middel van sterke B-O covalente bindingen tussen tetrafenylethyleen-diboronzuur (afgekort TPEDB) molecuul en polyvinylalcohol (PVA) matrix in 20 seconden onder omgevingscondities. Op basis van de energetisch gunstige klikreactie, het onderzoeksteam moduleerde het aantal B-O-covalente bindingen via klikaanpassing om bij te dragen aan een sterke RTP-intensiteit en een lange levensduur van maximaal 768,6 milliseconden om het TPEDB-PVA-polymeermateriaal te vormen. Vervolgens met behulp van ab initio moleculaire dynamica (AIMD) simulaties, Tian et al. schreef de eigenschappen van efficiënte fosforescentie toe aan onderdrukte moleculaire rotatie en beperkte niet-stralingsovergang van TPEDB. De strategie biedt een grootschalig platform voor de productie en industrialisatie van efficiënte, op polymeren gebaseerde RTP-materialen voor praktische toepassingen.

De fluorescentie- en pH-resultaten toonden een covalente B-O-klikreactie, gevolgd door de vorming van een flexibel RTP polymeer materiaal. Het team bestudeerde de morfologie van het resulterende polymeer met scanning-elektronenmicroscopie (SEM) en atoomkrachtmicroscopie (AFM). Ze verkregen een uniform en continu oppervlak voor het materiaal met een dikte van 27 µm en voerden elementanalyses uit met energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDX) om een ​​homogene dispersie van boor in kaart te brengen en te detecteren, zuurstof- en koolstofelementen, zoals verwacht. De resultaten toonden een goede combinatie tussen fosforen en de polymeermatrices om het TPEDB-PVA-polymeer te vormen.

De materiële architectuur karakteriseren en de covalente bindingen reguleren

Tian et al. registreerde de luminescentiespectra van de TPEDB-PVA-materialen om fluorescerende en groene spectra te verkrijgen voor een aanhoudende levensduur van 4,5 nanoseconden en 768,6 milliseconden, respectievelijk. Om de oorsprong van fosforescentie bij kamertemperatuur (RTP) van de materialen te bestuderen, het team drop-cast TPEDB, PVA en TPEDB-X% PVA op kwartsglas. Het ongerepte TPEDB-materiaal vertoonde een zwakke RTP-emissie en de toevoeging van PVA aan de mix bevorderde de RTP-prestaties om de rol van PVA als een matrix om de fosforescentie van TPEDB te activeren aan te geven. De wetenschappers bereikten de sterkste RTP-intensiteit voor polymere materialen toen de PVA 60 mg bereikte en bepaalden dat het optimale gehalte aan TPEDB 0,08 mg was in het gecombineerde TPEDB-PVA-polymeer. Verdere experimenten onderzochten de superioriteit van de covalente bindingen om de noodzaak aan te tonen van zowel hydroxylgroepen als boorzuurgroepen in de opstelling om een ​​stabiele covalente binding te vormen voor efficiënte RTP-materialen.

Omdat covalente verknoping tussen TPEDB en PVA belangrijk was voor fosforescentie, het team paste verschillende graden van alcoholyse (of hydrolyse) toe om covalente bindingen te reguleren en de speculatie te verifiëren. Ze merkten toenemende fosforescentie en fluorescerende prestaties op met een toenemende alcoholyse-graad van PVA. Het team voerde röntgendiffractie (XRD) metingen uit en verifieerde de interacties tussen de twee bestanddelen (TPEDB en PVA) onder verschillende gradaties van alcoholyse, gevolgd door Fourier-transformatie-infrarood (FTIR) -metingen om de verwachte karakteristieke piek te observeren die overeenkomt met de B-O-binding in de polymeren. De verhoogde hoeveelheid hydroxylgroepen in PVA zorgde voor verbindende groepen voor zowel covalente als waterstofbindingen om in het systeem te vormen, het creëren van een gunstige omgeving om de fosforen op te sluiten en hun fosforescentie te activeren.

Inzicht in de mechanismen die ten grondslag liggen aan de polymere materialen

Om de B-O-klikreactie te begrijpen, de oorsprong van fosforescentie en de verbetering ervan door covalente lokalisatie van fosfor, de wetenschappers voerden dichtheidsfunctionaaltheorieberekeningen uit. Ze berekenden de Gibbs vrije energieverandering van de klikreactie (TPEDB + PVA —-> TPEDB-PVA + H ₂ O) -1,017 eV zijn, wat de energetische gunstigheid van de reactie met een ultrasnelle reactiesnelheid aangaf. Ze berekenden de energieniveaus van de grondtoestand, eerste singlet aangeslagen toestand en eerste triplet aangeslagen toestand voor TPEDB en PVA, en de resultaten toonden de oorsprong van fosforescentie van TPEDB, terwijl PVA een niet-emitterende polymeermatrix vormde om de moleculen te stabiliseren. Tian et al. voerde ook AIMD (ab initio moleculaire dynamica) simulaties uit om de structuur te manipuleren, samenstelling en oriëntatie van TPEDB-polymeermaterialen en hun impact op fosforescentie begrijpen.

Toepassingen van TPEDB-PVA polymere materialen

Het team bestudeerde vervolgens mogelijke toepassingen van de TPEDB-PVA-polymeermaterialen, hun oplosbaarheid en stabiliteit. De polymeren losten volledig op in twee minuten bij 60 ° C vanwege de samenstellende hydroxylgroepen na de B-O-klikreactie, terwijl de fluorescentie van opgeloste materialen verzwakte. Ze bestudeerden de fotostabiliteit van de materialen onder UV-straling vanwege de bescherming die de PVA-matrix aan de TPEDB biedt. Gebaseerd op het vermogen om oplossingen te verwerken en behoorlijke fotostabiliteit, het team noemde het polymeer een potentiële kandidaat om opto-elektronische polymeermaterialen te construeren.

Ze maakten schaalbare polymere materialen in petrischalen in het laboratorium met variërende stralen en voerden gegevenscodering uit op de polymeren door getallen te coderen, die verscheen als intense cyaan fluorescentie na UV-excitatie. Ze bereikten een versleutelingsmethode op het TPEDB-PVA-polymeer na verschillende gradaties van alcoholyse en manipuleerden de samenstelling ervan om een ​​veiligheidslink tegen namaak te creëren. Als proof-of-concept hebben ze de nummers "1 2 3" op het PVA-substraat gemodelleerd om ze te observeren onder UV-straling, het creëren van een krachtige anti-namaak- en digitale coderingstool via een gemakkelijke klikreactie.

Op deze manier, Rui Tian en collega's presenteerden een efficiënt op polymeer gebaseerd RTP-materiaal met behulp van een eenstaps B-O-klikchemiestrategie. Ze reguleerden de RTP-prestaties door het aantal B-O-covalente bindingen. Het simpele, zeer efficiënte en schaalbare voorbereidingstechniek zal nieuwe mogelijkheden openen voor innovatieve engineeringmethoden om polymere RTP-materialen te construeren. De succesvol ontwikkelde RTP-materiaalconstructie zal veel toepassingen hebben op het gebied van gegevensbeveiliging en als lichtemitterende apparaten met het potentieel om de strategie uit te breiden naar diverse RTP-materialen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk