Wetenschappers kijken naar lichtgevende transparante films voor gebruik in energiezuinige displays (zoals LED-schermen) en andere toepassingen, en de mogelijkheden die het opent voor geavanceerde methodologieën op verschillende gebieden van biologisch en elektronisch onderzoek. Echter, hoewel er meerkleuren-emitterende transparante vaste films zijn ontwikkeld, het was een uitdaging om efficiënte manieren te vinden om de kleur en intensiteit van de lichtemissie af te stemmen.

Nutsvoorzieningen, in een recent artikel gepubliceerd in The Royal Society of Chemistry's Materialen vooruitgang , een nieuw mechanisme voor het gemakkelijk afstemmen van de luminescentie van een nieuw gemodificeerd lichtgevend vast transparant materiaal wordt beschreven - het omvat eenvoudigweg het moduleren van de protonconcentratie (of pH) via het aanleggen van een spanning.

Dit materiaal is ontwikkeld in het laboratorium van professor Makoto Tadokoro, een anorganische chemicus en materiaalwetenschapper aan de Tokyo University of Science in Japan. Prof Tadokoro en zijn team, waaronder Dr. Hajime Kamebuchi van Nihon University, Japan, en de heer Taiho Yoshioka van de Tokyo University of Science, begon met een transparante polymere film genaamd Nafion. Nafion-films staan ​​bekend als protongeleiders (materialen waarin elektriciteit wordt geleid via de beweging van protonen) en kationenwisselaars (materialen die gemakkelijk positief geladen deeltjes aantrekken). Deze twee eigenschappen bleken de sleutel tot de luminescentiecontrole die het materiaal bood dat het uiteindelijk zou helpen vormen.

Een derde eigenschap van Nafion die het nog nuttiger maakte voor het team van prof. Tadokoro, is de moleculaire structuur. De structuur van Nafion maakte "complexen" van twee metalen mogelijk, terbium (Tb) en europium (Eu), waarvan bekend is dat ze lichtemitters zijn, om erin te worden ingebed wanneer het werd ondergedompeld in een oplossing die de metaalcomplexen bevat. Dus, het fabricageproces van het materiaal was eenvoudig en goedkoop.

Toen het eindproduct - een metaalcomplex-bevattende polymere film - werd ondergedompeld in een zure oplossing (pH 2-5; protondonor), het werd groen. Geweekt in een alkalische oplossing (pH 9-12; protonacceptor), het werd rood. In een neutrale oplossing (pH 6-8), het werd geel (een combinatie van rood en groen).

Spectroscopische analyse vertelde de auteurs waarom deze specifieke kleurveranderingen plaatsvonden. In zure oplossingen, de door Nafion opgenomen protonen 'zetten' de Tb-metaalionen aan, maar niet de Eu-metaalionen. In alkalische oplossingen, Eu-metaalionen kwamen in de schijnwerpers en emissies van de Tb-ionen werden gedoofd. Bij neutrale oplossingen beide straalden licht uit. Dit bevestigde dat de protonconcentratiegradiënt in het materiaal zijn luminescentie bepaalde.

De wetenschappers waren vervolgens in staat om de luminescentie gemakkelijk af te stemmen door het materiaal aan een batterij te haken nadat het in een zure oplossing was gedompeld. De zure oplossing maakte het materiaal groen. Maar bij het aanleggen van een spanning, toen protonen naar de negatief geladen kant van het materiaal bewogen, de protondeficiënte positief geladen kant begon rood te worden. Het centrale deel van het materiaal werd geel. Prof Tadokoro zegt, "We denken dat dit het meest uitdagende deel van onze studie was - en overigens ook ons ​​grootste succes. De bevinding dat de stroom van protonen in een vast medium onder een elektrisch veld kan worden gecontroleerd, wat ons op zijn beurt in staat stelt de 'kleur' ​​van het uitgestraalde licht te controleren, is ongekend. In biologische systemen, ionenstromen zijn verantwoordelijk voor veel essentiële biochemische activiteiten. De door ons gedemonstreerde 'solid-state ionics' kunnen op veel verschillende gebieden worden toegepast."

Toen hem verder werd gevraagd naar de praktische betekenis van zijn werk, Prof Tadokoro zegt, "Onze bevindingen tonen aan dat het mogelijk is om goedkope veelkleurige emitterende glas- of filmmaterialen te fabriceren waarvan de emissies kunnen worden afgestemd door simpelweg een spanning aan te leggen om de protonstroom te regelen, en dus protongradiënt, binnen het materiaal. Met andere woorden, niet alleen elektronengeleiding, maar protongeleiding kan een manier zijn waarop de luminescentie van materialen wordt gecontroleerd."

Maar, hoewel deze studie een grote stap is op weg naar het bereiken van transparante emitters voor een breed scala aan toepassingen, zoals het detecteren van pH-gradiënten in biologische cellen of het bouwen van nieuwe displays en illuminators, is het hier ontwikkelde apparaat nog niet helemaal klaar voor de markt. Prof Tadokoro zegt, "We proberen nu een blauwlichtemitterend complex aan ons systeem toe te voegen, zodat we een materiaal kunnen verkrijgen dat licht kan uitstralen over het hele zichtbare spectrum."

Als dat eenmaal is bereikt, de wetenschappen zullen een beetje meer gevorderd zijn, en een nieuwe generatie van zeer afstembare veelkleurige-emitterende materialen is misschien niet te ver weg.