Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Santa Barbara, hebben samen met collega's van de Universiteit van Boston een manier ontdekt om de efficiëntie van fotopolymerisatie door vrije radicalen aanzienlijk te verbeteren door de absorptie van zichtbaar licht te verbeteren.

Volgens een studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications heeft het team een ​​nieuw systeem gecreëerd – geïnspireerd door fotosynthese – dat zichtbaar licht gebruikt om reactieve radicaalsoorten te genereren die polymerisatie kunnen veroorzaken. Dit systeem bereikt een vrijwel perfecte omzetting van monomeren in polymeren met patronen met hoge resolutie en verbeterde mechanische sterkte.

Fotopolymerisatie is een veelgebruikte techniek in verschillende industrieën, waaronder 3D-printen, tandheelkunde en micro-elektronica, waarbij vloeibare monomeren bij blootstelling aan licht worden omgezet in vaste polymeren. Het proces van het genereren van soorten vrije radicalen – reactieve tussenproducten die cruciaal zijn voor het initiëren van polymerisatie – is doorgaans afhankelijk van ultraviolet (UV) licht, dat schadelijk kan zijn en gespecialiseerde apparatuur vereist.

De nieuwe studie presenteert echter een alternatieve aanpak waarbij gebruik wordt gemaakt van zichtbaar licht, dat veiliger is en compatibel is met een breder scala aan materialen. Het team maakte gebruik van de unieke kenmerken van overgangsmetaalcomplexen, met name ijzercomplexen, die door licht geïnduceerde overgangen van ligand-naar-metaallading (LMCT) kunnen ondergaan. Deze overgangen genereren reactieve radicaalsoorten door de overdracht van een elektron van het ligand naar het metaalcentrum, waardoor de polymerisatie wordt geïnitieerd.

Door een ijzercomplex te combineren met een zorgvuldig ontworpen absorptiemiddel voor zichtbaar licht, bereikten de onderzoekers een zeer efficiënte, door zichtbaar licht geïnduceerde fotopolymerisatie van vrije radicalen. De absorber fungeert als fotosensibilisator, vangt zichtbaar licht op en brengt energie over naar het ijzercomplex, dat vervolgens radicale soorten genereert.

Bovendien heeft het team hun systeem met succes toegepast in verschillende praktische toepassingen, waaronder 3D-printen met een resolutie van minder dan 100 micrometer, uitharding van tandheelkundige composieten en de fabricage van zachte actuatoren en sensoren. De verbeterde mechanische eigenschappen en biocompatibiliteit van de resulterende polymeren maken ze zeer geschikt voor deze toepassingen.

De corresponderende auteur van het onderzoek, Craig J. Hawker, hoogleraar scheikunde en materialen aan de UC Santa Barbara, benadrukt het belang van hun bevindingen:

“Het vermogen om zichtbaar licht te gebruiken voor efficiënte fotopolymerisatie door vrije radicalen opent nieuwe mogelijkheden op veel gebieden, waaronder 3D-printen, coatings en biomedische toepassingen. Dit werk vertegenwoordigt een grote vooruitgang op het gebied van fotopolymerisatie en heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de manier waarop we processen verwerken. en materialen vervaardigen.”

Door zichtbaar licht-absorberende moleculen te integreren in fotopolymeriseerbare systemen, verbeteren de onderzoekers effectief de efficiëntie van fotopolymerisatie door vrije radicalen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor meer veelzijdige, veiligere en praktische toepassingen in verschillende industrieën.