Door positief geladen fluorescerende kleurstoffen te formuleren in een nieuwe klasse materialen die ionische isolatieroosters met kleine moleculen worden genoemd (SMILES), de schitterende gloed van een verbinding kan naadloos worden overgebracht naar een vaste stof, kristallijne toestand, onderzoekers rapporteren 6 augustus in het tijdschrift Chemo . De vooruitgang overwint een al lang bestaande barrière voor het ontwikkelen van fluorescerende vaste stoffen, wat resulteert in de helderste bekende materialen die er zijn.

"Deze materialen hebben potentiële toepassingen in elke technologie die heldere fluorescentie nodig heeft of vraagt ​​om het ontwerpen van optische eigenschappen, inclusief het oogsten van zonne-energie, biobeeldvorming, en lasers, " zegt Amar Vloed, een chemicus aan de Indiana University en co-senior auteur van de studie samen met Bo Laursen van de Universiteit van Kopenhagen.

"Buiten deze, er zijn interessante toepassingen zoals het opconverteren van licht om meer van het zonnespectrum in zonnecellen vast te leggen, lichtschakelbare materialen die worden gebruikt voor informatieopslag en fotochroom glas, en circulair gepolariseerde luminescentie die kan worden gebruikt in 3D-weergavetechnologie, ' zegt Vloed.

Hoewel er momenteel meer dan 100 zijn, 000 verschillende fluorescerende kleurstoffen beschikbaar, bijna geen van deze kan op voorspelbare manieren worden gemengd en aangepast om solide optische materialen te creëren. Kleurstoffen hebben de neiging om "afschrikken" te ondergaan wanneer ze een vaste toestand binnengaan vanwege hoe ze zich gedragen wanneer ze dicht bij elkaar worden verpakt, het verminderen van de intensiteit van hun fluorescentie om een ​​meer gedempte gloed te produceren.

"Het probleem van uitdoving en koppeling tussen kleurstoffen ontstaat wanneer de kleurstoffen schouder aan schouder in vaste stoffen staan, " zegt Flood. "Ze kunnen niet anders dan elkaar 'aanraken'. Zoals jonge kinderen die tijdens het verhaal zitten, ze bemoeien zich met elkaar en gedragen zich niet langer als individuen."

Om dit probleem op te lossen, Flood en collega's mengden een gekleurde kleurstof met een kleurloze oplossing van cyanostar, een stervormig macrocyclisch molecuul dat voorkomt dat de fluorescerende moleculen op elkaar inwerken als het mengsel stolt, hun optische eigenschappen intact te houden. Toen het mengsel een vaste stof werd, SMILES gevormd, die de onderzoekers vervolgens uitgroeiden tot kristallen, neergeslagen in droge poeders, en tenslotte tot een dunne film gesponnen of direct in polymeren verwerkt. Omdat de cyanostar-macrocycli bouwstenen vormen die een roosterachtig dambord genereren, de onderzoekers konden eenvoudig een kleurstof in het rooster steken en, zonder verdere aanpassingen, de structuur zou zijn kleur en uiterlijk aannemen.

Terwijl eerder onderzoek al een benadering had ontwikkeld om de kleurstoffen van elkaar te scheiden met behulp van macrocyclische moleculen, het vertrouwde op gekleurde macrocycli om het werk te doen. Flood en collega's ontdekten dat kleurloze macrocycli de sleutel waren.

"Sommige mensen denken dat kleurloze macrocycli onaantrekkelijk zijn, maar ze lieten het isolatierooster toe om de heldere fluorescentie van de kleurstoffen volledig tot uitdrukking te brengen, niet gehinderd door de kleuren van de macrocycli, " zegt Vloed.

Volgende, de onderzoekers zijn van plan om de eigenschappen van fluorescerende materialen te onderzoeken die zijn gevormd met behulp van deze nieuwe techniek, waardoor ze in de toekomst kunnen samenwerken met kleurstofproducenten om het volledige potentieel van de materialen in verschillende toepassingen te realiseren.

"Deze materialen zijn totaal nieuw, dus we weten niet welke van hun aangeboren eigenschappen daadwerkelijk superieure functionaliteit zullen bieden, " zegt Flood. "We kennen ook de limieten van de materialen niet. Dus, we zullen een fundamenteel begrip ontwikkelen van hoe ze werken, het verstrekken van een robuuste set ontwerpregels voor het maken van nieuwe eigenschappen. Dit is van cruciaal belang om deze materialen in de handen van anderen te brengen - we willen crowdsourcing nastreven en hierin samenwerken met anderen."