Химики сделали самые яркие флуоресцентные материалы из когда-либо созданных

В мире появился новый самый яркий флуоресцентный материал, и он первый в своем роде. Вместо того, чтобы пытаться улучшить флуоресцентные молекулы, группа химиков разработала новый материал, который сохраняет оптические свойства флуоресцентных красителей. Их исследование было опубликовано в журнале Cell Press сегодня.

Он эффективно предотвращает одну из самых больших проблем при производстве флуоресцентных материалов – тенденцию флуоресцентных красителей выцветать и менять цвет при преобразовании в твердое состояние из жидкости. Материалы, кстати, нужны не только для развлечения.

«Эти материалы имеют потенциальное применение в любой технологии, которая требует яркой флуоресценции или требует разработки оптических свойств, включая сбор солнечной энергии, биоимиджинг и лазеры», – сказал в заявлении, автор исследования, химик Амар Флад из Университета Индианы. «Помимо этого, существуют интересные приложения, которые включают преобразование света с повышением частоты для захвата большей части солнечного спектра в солнечных элементах, материалы с переключением света, используемые для хранения информации и фотохромное стекло, а также люминесценцию с круговой поляризацией, которая может использоваться в технологии 3D-дисплеев».

Флуоресцентные молекулы поглощают свет, а затем повторно излучают его на более длинных волнах с меньшей энергией. Их можно найти не только в маркерах, которые вы использовали в школьных заметках, но и во многих практических приложениях, от флуоресцентных биомаркеров в исследованиях клеток до технологии OLED-экранов.

Однако из более чем 100 000 флуоресцентных красителей, разработанных на сегодняшний день, почти ни один не может быть смешан предсказуемо и надежно; создание твердых флуоресцентных материалов – сложный процесс. Когда красители превращаются в твердые вещества, они, как правило, подвергаются закалке (уменьшению яркости), их цвета меняются, а их квантовая эффективность ухудшается.

Дело не в том, что химики не понимают, почему это происходит. Это хорошо изученное явление, называемое экситонной связью. Когда красители превращаются в твердое вещество, они плотно упаковываются друг в друга, что приводит к их сцеплению.

Оптические изменения, возникающие в результате этой связи, трудно предсказать, но можно с уверенностью сказать, что надежно передать оптические свойства флуоресцентной жидкости твердому телу очень сложно.

«Проблема закалки и взаимодействия красителей возникает, когда красители встают плечом к плечу внутри твердых тел», – сказал Флад. «Они не могут не “касаться” друг друга. Как маленькие дети, сидящие во время рассказа, они мешают друг другу и перестают вести себя как личности».

Итак, команда разработала решение проблемы, основанное на разделении флуоресцентных молекул. Они взяли бесцветный раствор молекул макроцикла, называемых цианозвездами, и смешали их с флуоресцентным красителем.

Такое использование макроциклов – большого класса кольцевых молекул – не ново, и другие уже пробовали это делать. Но большая разница в том, что в этих более ранних попытках использовались цветные макроциклы.

По мере высыхания их нового раствора он образовывал то, что команда назвала решетками ионной изоляции малых молекул (SMILES), которые эффективно удерживали молекулы красителя разделенные друг от друга, предотвращая их взаимодействие и сохраняя их оптические свойства с высокой точностью.

«Некоторые люди думают, что бесцветные макроциклы непривлекательны, но они позволили изоляционной решетке полностью выразить яркую флуоресценцию красителей, не обремененную цветами макроциклов», – сказал Флад.

Затем этот материал можно использовать в нескольких направлениях. Его можно выращивать в кристаллы; можно образовывать сухой порошок; или он может быть включен непосредственно в полимеры. Исследователи обнаружили, что он отлично работает с несколькими коммерчески доступными флуоресцентными красителями.

Это означает, что любой доступный в настоящее время флуоресцентный краситель должен работать с раствором макроцикла команды для получения великолепно сияющего твердого материала, который точно сохраняет свойства жидкого красителя. Но до того, как мы дойдем до этого момента, предстоит еще кое-что сделать. Первым шагом была разработка материала. Теперь команда должна его изучить.

«Эти материалы совершенно новые, поэтому мы не знаем, какие из их врожденных свойств на самом деле обеспечат превосходную функциональность», – сказал Флад. «Мы также не знаем пределов материалов. Итак, мы разработаем фундаментальное понимание того, как они работают, предоставив надежный набор правил проектирования для создания новых свойств. Это очень важно для передачи этих материалов в руки другим – мы хотят заняться краудсорсингом и работать с другими в этом направлении».

DOI: 10.1016/j.chempr.2020.06.029

Вас также может заинтересовать:

• Познакомьтесь с роботом-химиком, который может проводить собственные эксперименты
• Генномодифицированный природный фермент эффективно разбирает пластик на кирпичики
• Новый метод левитации капель позволяет проводить бесконтактные химические реакции