Met Halloween voorbij, spookachtige versieringen worden nu vervangen door kerstversieringen, waarvan vele glow in the dark. Deze gloed, luminescentie genoemd, wordt geproduceerd door chemische en biochemische reacties of wanneer elektronen in een materiaal worden geëxciteerd tot hogere energietoestanden bij blootstelling aan licht. Luminescentie van de laatste soort wordt fotoluminescentie genoemd en wordt veel gebruikt in fluorescentiemicroscopie en bij het ontwikkelen van verschillende soorten sensoren.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Coördinatie Chemie en Katalyse Unit van Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hebben ontdekt dat door koper te combineren met organische moleculen, ze kunnen metaalcomplexen creëren die fotoluminescentie vertonen. Bovendien, door de grootte van die organische moleculen te variëren, ze kunnen de helderheid van het uitgestraalde licht regelen. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Anorganische scheikunde .

Onderzoekers hebben traditioneel fotoluminescente metaalcomplexen gemaakt met materialen zoals platina, ruthenium, osmium, renium en iridium, voor gebruik in objecten zoals de wijzerplaten van sommige horloges en klokken. Echter, deze edele metalen zijn erg duur, en de verbindingen die ze vormen zijn giftig om te hanteren. Kopercomplexen daarentegen, een goedkoper alternatief bieden en een structuur hebben die wetenschappers gemakkelijk kunnen manipuleren.

In dit onderzoek, de wetenschappers creëerden fotoluminescente kopercomplexen door koperatomen te combineren met organische moleculen, of liganden, met verschillende aminegroepen. "Het proces om het kopercomplex te construeren is eenvoudig en begint met de synthese van geschikte liganden, " legt Dr. Pradnya Patil uit, een postdoctoraal onderzoeker en de hoofdauteur van de studie. Ze synthetiseerde vier vergelijkbare ligandenmoleculen:N-methyl, N-isobutyl, N-isopropyl en N-tert-butyl - die varieerden in grootte, waarbij het N-methylmolecuul het kleinste is en het N-tert-butylmolecuul het grootste.

Het idee achter deze studie trof Prof. Julia Khusnutdinova vele jaren eerder. Tijdens haar postdoctoraal onderzoek ontdekte ze dat de ligandmoleculen die in dit onderzoek zijn gebruikt, waren zeer dynamisch van aard omdat hun vermogen om zich te binden met metaalatomen gepaard ging met vele variaties in hun moleculaire vormen en beweging.

De vier ligandmoleculen werden vervolgens gecombineerd met koper om metaalcomplexen te produceren en hun moleculaire structuren werden onderzocht met behulp van geavanceerde technieken zoals röntgendiffractie en NMR-spectroscopie, om hun grootte te bepalen. Het kleinste kopercomplex, die N-methyl bevatte, flexibeler en sneller bewogen in vergelijking met de andere drie, terwijl het kopercomplex met N-tert-butyl het langzaamst was omdat het een omvangrijkere moleculaire structuur had. Tot hun verbazing, de onderzoekers ontdekten dat hoe langzamer het molecuul, hoe helderder het licht dat het uitstraalde.

Deze nieuwe bevinding verder brengend, de onderzoekers verwerkten moleculen met structuren die lijken op deze kopercomplexen in polymeren, zodat ze in een grotere verscheidenheid aan toepassingen kunnen worden gebruikt. Hierdoor konden ze moleculaire sondes maken die helderder gloeien wanneer ze worden blootgesteld aan mechanische stress of spanning. "Zo'n materiaal heeft het potentieel om nieuwe methoden te creëren om het falen van bouwmaterialen te voorkomen, omdat het helpt om slijtage te detecteren voordat het materiaal daadwerkelijk breekt. Deze studie werpt licht op het mechanisme van dergelijke spanningsdetectie, " zegt prof. Julia Khusnutdinova.