Veel toepassingen, van glasvezeltelecommunicatie tot biomedische beeldvormingsprocessen vereisen stoffen die licht uitstralen in het nabij-infraroodbereik (NIR). Een onderzoeksteam in Zwitserland heeft nu het eerste chroomcomplex ontwikkeld dat licht uitstraalt in de felbegeerde, NIR-II-bereik met langere golflengte. In het journaal Angewandte Chemie , het team heeft het onderliggende concept geïntroduceerd:een drastische verandering in de elektronische structuur van het chroom, veroorzaakt door de speciaal op maat gemaakte liganden die het omhullen.

Veel materialen die NIR-licht uitstralen zijn gebaseerd op dure of zeldzame metaalcomplexen. Er zijn goedkopere alternatieven ontwikkeld die in het NIR-I-bereik tussen 700 en 950 nm emitteren, maar NIR-II-emitterende complexen van niet-edelmetalen blijven uiterst zeldzaam. Luminescentie in het NIR-II-bereik (1000 tot 1700 nm) is, bijvoorbeeld, bijzonder voordelig voor in vivo beeldvorming omdat dit licht zeer ver in weefsels doordringt.

De luminescentie van complexen is gebaseerd op de opwinding van elektronen, door de absorptie van licht, bijvoorbeeld. Wanneer het aangeslagen elektron terugvalt naar zijn grondtoestand, een deel van de energie wordt uitgezonden als straling. De golflengte van deze straling hangt af van de energetische verschillen tussen de elektronische toestanden. In complexen, deze worden significant bepaald door het type en de rangschikking van de aan het metaal gebonden liganden.

In typische chemische (covalente) bindingen, elke partner brengt één elektron mee om te delen in een bindingspaar; in veel complexen komen beide elektronen van het ligand. Echter, de lijn tussen deze soorten bindingen is vloeiend:metaal-ligandbindingen kunnen een gedeeltelijk covalent karakter hebben (nefelauxetisch effect). Als gevolg hiervan, de energie van bepaalde aangeslagen toestanden wordt verminderd, waardoor de uitgezonden straling een langere golflengte krijgt. Dit is waargenomen voor polypyridineliganden, die de robijnrode emissie van driewaardig chroom (Cr ^III ) in complexen om naar het NIR-I-bereik te verschuiven.

Om de covalentie van de metaal-ligandbinding te vergroten en de golflengte verder te vergroten, Narayan Sinha schakelde in een team onder leiding van Claude Piguet en Oliver S. Wenger aan de universiteiten van Bazel en Genève (Zwitserland) over van klassieke polypyridine-liganden naar een nieuw op maat gemaakt, opgeladen, drietandige chelaatligand. De term chelaat is afgeleid van het Griekse woord voor de tang van een krab, en drietand betekent dat het ligand drie bindingsplaatsen heeft waarmee het het centrale metaalion als een tang grijpt.

In het resulterende nieuwe complex, de Cr ^III ion is aan alle kanten omgeven door twee drietandige geladen chelaatliganden om een ​​octaëdrische vorm te vormen. Dit resulteert in een drastisch gewijzigde ongebruikelijke elektronische structuur met een hoge elektronendichtheid op de Cr ^III . In de axiale richting, ladingsoverdracht vindt plaats van de liganden naar het metaal, maar in het equatoriale vlak van de octaëder, ladingsoverdracht beweegt van het metaal naar de liganden. De gecombineerde "push" en "pull" interacties hebben waarschijnlijk een sterke invloed op de spectroscopisch relevante elektronen van de Cr ^III — de sleutel tot de NIR-II-emissies van het nieuwe complex.