Kleurstoffen die ook van groot belang zijn voor organische elektronica zijn onlangs bereid en gekristalliseerd aan de Technische Universiteit van Wenen. Het enige dat nodig is, is water, zij het onder zeer ongebruikelijke omstandigheden.

Deze kleurstoffen maken niet alleen indruk door hun stralende en intense kleur, ze hebben ook een belangrijke technologische betekenis:organische kleurstoffen zijn een klasse van materialen met zeer bijzondere eigenschappen. Van flatscreens tot elektronisch papier tot chipkaarten:in de toekomst veel technologieën zullen waarschijnlijk gebaseerd zijn op organische moleculen zoals deze.

Eerder, dergelijke materialen kunnen alleen worden bereid met behulp van complexe synthesemethoden die ongelooflijk schadelijk zijn voor het milieu. Echter, onderzoekers van de Technische Universiteit van Wenen hebben nu met succes verschillende typische vertegenwoordigers van deze materiaalklasse op een geheel nieuwe en andere manier gesynthetiseerd:giftige oplosmiddelen zijn vervangen door water. Maar hoe wordt dit gedaan? Wanneer water tot extreem hoge temperaturen wordt verwarmd, de eigenschappen ervan veranderen aanzienlijk. Details van de nieuwe bereidingsmethode die onlangs is gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Angewandte Chemie .

De eigenschappen van het water veranderen zonder dat er toevoegingen nodig zijn

"Als je zou luisteren naar je eerste onderbuikgevoel, je zou eigenlijk vermoeden dat water het slechtst denkbare oplosmiddel is voor het synthetiseren en kristalliseren van deze moleculen, ", zegt Miriam Unterlass van het Institute of Materials Chemistry aan de Technische Universiteit van Wenen. "De reden voor deze verwachting is dat de kleurstoffen die we produceren extreem waterafstotend zijn." bijvoorbeeld, breng een kleine druppel water aan op wat droog kleurstofpoeder, de druppel rolt er gewoon af. De kleurstof kan niet worden gemengd met water.

Maar dit gedrag is alleen van toepassing op water zoals we dat kennen uit het dagelijks gebruik. De onderzoekers van de Technische Universiteit van Wenen gebruikten water dat tot minstens 180°C was verwarmd in speciale drukvaten. Onder deze voorwaarden, de druk neemt drastisch toe, zodat het grootste deel van het water ondanks de hoge temperaturen vloeibaar blijft. De chemische en fysische eigenschappen van water veranderen onder deze omstandigheden drastisch.

Te warm voor waterstofbinding

"De eigenschappen van koude, vloeibaar water wordt sterk beïnvloed door wat bekend staat als waterstofbinding, " legt Miriam Unterlass uit. "Dit zijn zwakke bindingen tussen watermoleculen die voortdurend worden verbroken en hervormd." elk watermolecuul is op elk moment bij kamertemperatuur gekoppeld aan drie of vier andere watermoleculen. In een snelkookpan, het aantal van deze waterstofbruggen per molecuul neemt af.

"Dit betekent ook dat er bij hoge temperaturen veel meer ionen in water aanwezig zijn dan onder standaardomstandigheden - een bepaalde hoeveelheid H ₂ O moleculen kunnen H . worden ₃ O+ of OH-, " legt Unterlass uit. En dit verandert de eigenschappen van het water drastisch:in zekere zin, het gedraagt ​​zich tegelijkertijd als een zuur en een base - het kan zowel als een zure als een basische katalysator werken en daardoor bepaalde reacties versnellen of zelfs mogelijk maken.

Onder andere, het hogere aantal ionen in het water bij verhoogde temperaturen is een belangrijke oorzaak voor het vergemakkelijken van het oplossen van organische stoffen die onder normale omstandigheden volledig onoplosbaar zijn. Bijgevolg, de bestudeerde kleurstofmoleculen kunnen niet alleen in water worden gesynthetiseerd, maar ook gekristalliseerd:ze lossen op bij voldoende hoge temperaturen en kristalliseren vervolgens uit als ze afkoelen.

"Normaal gesproken, giftige oplosmiddelen zijn nodig om dergelijke kleurstoffen te bereiden of te kristalliseren. In ons geval, Hoewel, zuiver water vertoont de gewenste oplosmiddeleigenschappen - alles wat je nodig hebt is druk en warmte, ' zegt Miriam Unterlass.

Kristallen voor de elektronica van morgen

"In een sterk kristallijne toestand - d.w.z. met een hoge mate van orde op moleculair niveau - verbeteren de elektronische eigenschappen van deze materialen. Het is daarom bijzonder belangrijk voor toepassingen in de organische elektronica om een ​​hoge mate van controle over het kristallisatieproces te hebben, ', zegt Unterlass.

Voor deze kristallen geldt echter er zijn ook een aantal zeer verschillende potentiële toepassingen. "Ze kunnen overal worden gebruikt waar de vereisten voor kleurstoffen nogal hoog zijn, ", zegt Unterlass. "Een dergelijke toepassing is autolak, of andere gebieden waar extreme chemische of thermische omstandigheden heersen, omdat de materialen ook stabieler worden naarmate ze meer kristallijn zijn."