Een gestapelde nanokoolstofantenne laat een zeldzaam aarde-element 5 keer helderder schijnen dan eerdere ontwerpen, met toepassingen in moleculaire lichtemitterende apparaten.

Een uniek moleculair ontwerp ontwikkeld door onderzoekers van de Hokkaido University zorgt ervoor dat een europiumcomplex meer dan vijf keer helderder schijnt dan het beste vorige ontwerp wanneer het blauw licht met lage energie absorbeert. De bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift Communicatiechemie , en zou kunnen leiden tot efficiëntere fotosensitizers met een breed scala aan toepassingen.

Fotosensitizers zijn moleculen die opgewonden raken wanneer ze licht absorberen en deze opgewonden energie vervolgens overbrengen naar een ander molecuul. Ze worden gebruikt bij fotochemische reacties, energieomzettingssystemen, en bij fotodynamische therapie, die licht gebruikt om bepaalde vormen van kanker in een vroeg stadium te doden.

Het ontwerp van momenteel beschikbare fotosensitizers leidt vaak tot onvermijdelijk energieverlies, en dus zijn ze niet zo efficiënt in lichtabsorptie en energieoverdracht als wetenschappers zouden willen. Het vereist ook hoogenergetisch licht zoals UV voor excitatie.

Yuichi Kitagawa en Yasuchika Hasegawa van het Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) van de Hokkaido University werkten samen met collega's in Japan om het ontwerp van conventionele fotosensitizers te verbeteren.

Hun concept is gebaseerd op het verlengen van de levensduur van een moleculaire energietoestand, de triplet-aangeslagen toestand genaamd, en op het verkleinen van hiaten tussen energieniveaus binnen het fotosensibiliserende molecuul. Dit zou leiden tot een efficiënter gebruik van fotonen en minder energieverlies.

De onderzoekers ontwierpen een nanokoolstof "antenne" gemaakt van coroneen, een polycyclische aromatische koolwaterstof die zes benzeenringen bevat. Twee nanokoolstofantennes worden op elkaar gestapeld en vervolgens aan weerszijden verbonden met het zeldzame aardmetaal europium. Er zijn extra connectoren toegevoegd om de bindingen tussen de nanokoolstofantennes en europium te versterken. Wanneer de nanokoolstofantennes licht absorberen, zij dragen deze energie over aan europium, waardoor het complex rood licht uitstraalt.

Experimenten toonden het complexe best geabsorbeerde licht met golflengten van 450 nm. Toen een blauwe LED (light-emitting diode) licht op het complex scheen, het gloeide meer dan vijf keer helderder dan het europiumcomplex dat tot nu toe de sterkste gerapporteerde emissie onder blauw licht had. De onderzoekers toonden ook aan dat het complex dankzij zijn stijve structuur hoge temperaturen boven 300℃ kan verdragen.

"Deze studie geeft inzicht in het ontwerp van fotosensitizers en kan leiden tot fotofunctionele materialen die efficiënt gebruik maken van laag-energetisch licht, ", zegt Yuichi Kitagawa van het onderzoeksteam. Het nieuwe ontwerp kan worden toegepast om moleculaire lichtemitterende apparaten te fabriceren, onder andere toepassingen, zeggen de onderzoekers.