化學(xué)家創(chuàng)造出最亮熒光材料 還能收集太陽能

8月6日，研究人員在Cell Press細(xì)胞出版社旗下期刊Chem(《化學(xué)》)上報(bào)告說，通過將帶正電荷的熒光染料合成到一種名為小分子離子隔離格(SMILES)的新型材料中，化合物燦爛的光芒可以無縫地轉(zhuǎn)化為固態(tài)結(jié)晶狀態(tài)。這一進(jìn)展克服了長(zhǎng)期以來開發(fā)熒光固體的障礙，有助于開發(fā)目前已知的最亮材料。

“這些材料在任何需要明亮熒光或設(shè)計(jì)光學(xué)特性的技術(shù)上都有潛能，包括太陽能收集、生物成像和激光。”美國(guó)印第安納大學(xué)化學(xué)家Amar Flood說。他與丹麥哥本哈根大學(xué)的Bo Laursen均為該論文的資深作者。

“除此之外，還有一些有趣的應(yīng)用，包括在太陽能電池中對(duì)光進(jìn)行上轉(zhuǎn)換以捕獲更多的太陽光譜，用于信息存儲(chǔ)和光致變色玻璃的光切換材料以及可用于3D顯示技術(shù)的圓偏振熒光。”Flood說。

雖然目前有超過10萬種不同的熒光染料可用，但幾乎沒有一種能以可預(yù)測(cè)的方式混合和匹配，以制造固體光學(xué)材料。當(dāng)染料進(jìn)入固態(tài)時(shí)，由于緊密排列在一起時(shí)的表現(xiàn)，它們傾向于經(jīng)歷“猝滅”，從而降低熒光強(qiáng)度，產(chǎn)生更柔和的輝光。

“當(dāng)染料在固體中并肩站立時(shí)，染料間的猝滅和耦合問題就出現(xiàn)了。”Flood說，“它們情不自禁地‘觸摸’彼此。就像小孩子坐在那里聽故事一樣，它們互相干擾，不再像個(gè)體一樣行事。”

為了解決這個(gè)問題，F(xiàn)lood和同事們將一種有色染料和含有氰星的無色溶液混合。氰星是一種星形的大環(huán)分子，它可以防止熒光分子在混合物凝固時(shí)相互作用，保持其完整的光學(xué)特性。當(dāng)混合物變成固體時(shí)，SMILES就形成了，然后研究人員將其變成晶體，沉淀成干粉末，最后制成薄膜或直接與聚合物結(jié)合。由于氰星大環(huán)形成了類似棋盤格的構(gòu)建塊，研究人員只需在格子中插入一種染料，無需進(jìn)一步調(diào)整，結(jié)構(gòu)就會(huì)呈現(xiàn)出它的顏色和外觀。

雖然，之前的研究已經(jīng)開發(fā)出利用大環(huán)分子來分隔染料的方法，但它依賴于彩色大環(huán)完成這項(xiàng)工作。Flood 和他的同事發(fā)現(xiàn)無色的大環(huán)是關(guān)鍵。

“有些人認(rèn)為無色大環(huán)沒有吸引力，但是它們?cè)试S隔離晶格完全表達(dá)染料的明亮熒光，而且不受大環(huán)顏色的阻礙。”Flood說。

接下來，研究人員計(jì)劃探索使用這種新技術(shù)形成的熒光材料的性質(zhì)，以便在未來與染料制造商合作時(shí)，實(shí)現(xiàn)該材料在各種不同應(yīng)用中的全部潛力。

Flood說：“這些材料是全新的，所以我們不知道它們的哪些固有特性能夠提供更好的功能。我們也不知道材料的極限。因此，我們要從根本上了解它的工作原理，并為其創(chuàng)建新屬性提供一套穩(wěn)健的設(shè)計(jì)規(guī)則。這對(duì)于將這些材料交到他人手中至關(guān)重要——我們希望尋求眾包，并在這方面與他人合作。”