Rond de wereld, er wordt momenteel enorm veel onderzoek en ontwikkeling gedaan op het gebied van koolstofhoudende, of biologisch, moleculen die gekleurd licht uitstralen na de juiste excitatie. Dit onderzoeksveld wordt gedreven door de display-industrie en de ontwikkeling van biomedische beeldvormingstechnieken. Hoewel nauwkeurige kleurafstemming in organische fluorescerende kleurstoffen tot nu toe meestal is bereikt door verschillende moleculen te mengen, ETH-onderzoekers hebben nu een aanpak ontwikkeld die een breed kleurenpalet kan genereren door middel van chemische aanpassingen in de moleculen zelf.

Yinyin Bao, een groepsleider in de groep van ETH-professor Jean-Christophe Leroux, en zijn team van wetenschappers wendden zich voor dit werk tot fluorescerende organische polymeren. Deze polymeren kunnen het best worden gezien als bewegende ketens van verschillende lengtes. "De kettingen hebben een symmetrische opbouw, en twee componenten daarin dragen bij aan de fluorescentie, " legt Bao uit. "Eén onderdeel, de fluorofoor genoemd, zit in het midden van de ketting, terwijl de andere component één keer voorkomt aan elk van de twee uiteinden van de keten. "Het verbinden van de fluorofoor in het midden van de ketting met elk uiteinde van de ketting zijn schakels waarvan het aantal en de structuur kunnen wetenschappers aanpassen. Als de polymeerketen wordt gebogen zodat een van de uiteinden komen in de buurt van de fluorofoor te liggen en de ketting wordt gelijktijdig bestraald met UV-licht, het fluoresceert.

Afstand beïnvloedt de interactie

De wetenschappers hebben nu kunnen aantonen dat de fluorescentiekleur niet alleen afhangt van de structuur van de schakels en uiteinden van de ketting, maar ook op het aantal kettingschakels. "Het is de interactie van het ketenuiteinde en de fluorofoor die verantwoordelijk is voor de fluorescentie van deze polymeren, " Bao zegt:"De afstand tussen de twee componenten beïnvloedt hoe ze op elkaar inwerken en dus de kleur die wordt uitgestraald."

Met behulp van een methode genaamd levende polymerisatie, de onderzoekers kunnen het aantal kettingschakels reguleren. Eerst, ze laten de keten geleidelijk groeien door een langzaam proces van het hechten van bouwstenen aan de fluorofoor. Zodra de gewenste lengte is bereikt, de wetenschappers kunnen het proces beëindigen en tegelijkertijd het keteneindmolecuul genereren. Zo produceerden de onderzoekers polymeren met verschillende kleuren:met minder dan 18 bouwstenen, de moleculen fluoresceren geel; met 25 kettingschakels, groente; en met 44 of meer schakels, blauw. "Het bijzondere hieraan is dat deze verschillend luminescerende polymeren allemaal uit exact dezelfde componenten zijn samengesteld. Het enige verschil is de ketenlengte, ' zegt Bao.

Breed kleurenbereik OLED's

Het onderzoeksteam, waaronder wetenschappers van de groep van ETH-professor Chih-Jen Shih en van het Royal Melbourne Institute of Technology in Australië, publiceerden hun werk in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang . Momenteel, kunnen de onderzoekers fluorescerende polymeren maken in geel, groen en blauw, maar ze werken eraan om het principe uit te breiden met andere kleuren, inclusief rood.

Deze nieuwe fluorescerende polymeren kunnen niet direct worden gebruikt als OLED's (organische LED's) in displays omdat hun elektrische geleidbaarheid niet voldoende hoog is, legt Bao uit. Echter, het zou mogelijk moeten zijn om de polymeren te combineren met halfgeleidende moleculen om op een eenvoudige manier een breed kleurengamma OLED's te produceren. Gebruikt in geconcentreerde zonne-energiecentrales, ze zouden ook het zonlicht efficiënter kunnen opvangen en zo de efficiëntie van de planten verhogen. Bao ziet hun belangrijkste toepassingsgebieden in diagnostische laboratoriumprocedures die gebruik maken van fluorescentie, bijvoorbeeld bij PCR, evenals in microscopie en beeldvormingsprocedures in celbiologie en geneeskunde. Andere mogelijke toepassingen zijn als echtheidskenmerken op bankbiljetten en certificaten of in paspoorten.