Als het gaat om het ontwerpen van ultraheldere fluorescerende materialen in vaste toestand, kunnen gebrugde kristalontwerpen de sleutel zijn om monomere emissie mogelijk te maken en toegang te krijgen tot nieuwe kristallijne systemen, onthult een nieuwe studie. Een onderzoeksteam van het Tokyo Institute of Technology bereidde ultraheldere fluorescerende kleurstoffen met behulp van di-bridged distyrylbenzenen (DSB's) met flexibele alkyleenbruggen, met behulp van een nieuw kristaltechnisch onderzoek. De bevindingen hebben belangrijke implicaties voor het gebied van fotofunctionele materialen.

Fluorescerende vaste organische kleurstoffen hebben een scala aan toepassingen, variërend van functionele nanomaterialen en organische lichtemitterende diodes (OLED) tot lasers en bio-imaging. Deze moleculen hebben een uitstekende veelzijdigheid, aanpasbare moleculaire ontwerpen en uitstekende verwerkbaarheid. Het verbeteren van de luminescente eigenschappen, kristalliniteiten en emissiekleuren van deze fluorescerende kleurstoffen in vaste toestand is een belangrijk onderzoeksgebied, vooral voor het ontwerp van geavanceerde OLED's. De ontwikkelingen op dit gebied worden echter beperkt door drie belangrijke factoren. Ten eerste ervaren de meeste fluorescerende kleurstoffen concentratiedoving (een vermindering van fluorescentie wanneer de concentratie van het fluorescerende molecuul een bepaald niveau overschrijdt) in de vaste toestand. Twee, de neiging van kleurstofmoleculen om te aggregeren in de vaste toestand en fluorescentie van verschillende kleuren te produceren als gevolg van de resulterende intermoleculaire elektronische interacties. En drie, kristalontwerpstrategieën die kunnen zorgen voor monomere emissie (in wezen emissies van een enkele golflengte, d.w.z. kleur) zijn onderontwikkeld.

Om dit aan te pakken, ontwikkelde een onderzoeksteam, geleid door universitair hoofddocent Gen-ichi Konishi van het Tokyo Institute of Technology, een nieuwe kristalontwerpstrategie met behulp van flexibele moleculaire bruggen. De studie, gepubliceerd in Chemistry—A European Journal , beschrijft de bereiding van sterk fluorescerende monomere emitterende di-bridged distyrylbenzenen (DSB's) met gecontroleerde elektronische eigenschappen en luminescentie. "Een typische benadering van kristalontwerp voor fluorescerende vaste kleurstoffen is de op sterische belemmering gebaseerde strategie, waarbij we het grootste deel van een molecuul manipuleren om congestie rond de reactieve atomen te veroorzaken en intermoleculaire interacties te onderdrukken. Maar een veel voorkomend nadeel van deze benadering is een toegenomen afstand tussen de chromoforen (fluorescerende moleculen). Onze ontwerpstrategie vermijdt met succes deze bijwerking", legt Associate Prof. Konishi uit.

In deze studie bereidde het onderzoeksteam een ​​zeer dichte kristallijne structuur voor, DBDB[7]s genaamd. DSB's en DBDB[7]'s zijn π-geconjugeerde systemen, wat betekent dat deze organische moleculen afwisselend enkele bindingen (C-C) en dubbele bindingen (C=C) in hun structuur hebben. Het team introduceerde een organische functionele groep genaamd propyleen als brugmoleculen tussen de zesledige ringen aan weerszijden van de dubbele bindingen in de DSB-structuur. Deze toevoeging leidde tot een nieuwe compacte kristalstructuur met onderdrukte intermoleculaire interacties en kleinere afstanden tussen de chromoforen. "In wezen zorgde de introductie van zevenledige (na overbrugging) ringen naar de DSB-kern voor een matige vervorming en sterische hinder in het π-vlak van DSB, waardoor we de moleculaire rangschikking konden beheersen zonder de kristaldichtheid te vergroten", zegt Associate . Prof. Konishi.

Het team onderzocht verder de fotofysische eigenschappen van DBDB[7]s en ontdekte dat de kleine omvang van de brugmoleculen die in deze studie werden gebruikt, de monomere emissie in de vaste toestand hielpen. Ze zagen ook dat DBDB[7]s ultrahelder was met een hoge kwantumopbrengst en vergelijkbare kleuren uitstraalde in zowel niet-geaggregeerde verdunde oplossing als in vaste toestand.

"De gebrugde DSB-kristalstructuur die in onze studie is beschreven, geeft toegang tot nieuwe kristallijne systemen", concludeert Associate Prof. Konishi. "Onze strategie heeft verstrekkende implicaties voor hoe we het ontwerp van fotofunctionele moleculaire kristallen benaderen." + Verder verkennen

Afstembaar emissief organisch platform