A most először sikeresen előállított szilárd fluoreszcens kristályok a legfényesebb ismert anyagok, amelyek a napelemektől a 3D-kijelzőkig számos alkalmazásban hasznosak lehetnek.

Az Indianai Egyetem és a Koppenhágai Egyetem kutatói pozitív töltésű fluoreszcens festékeket újfajta módszerrel ún. kismolekulás ionos izolációs mátrixba (small-molecule ionic isolation lattice, SMILES) kristályosítottak, amely szilárd állapotban is megőrzi a festékek ragyogó fluoreszcenciáját. A Chem című folyóirat legutóbbi számában közölt újítás elegáns megoldást ad a fluoreszcens anyagok szilárd halmazállapotba hozásának régi problémájára, és az így létrehozott kristályok ismereteink szerint – a térfogategységre eső kibocsátott fénymennyiség alapján – a ma létező legfényesebb anyagok a világon.

Egy sor technikai újítást hozhat a felfedezés

„Ezek az anyagok a legkülönbözőbb olyan technológiákban hasznosak lehetnek, ahol intenzív fluoreszcenciára és/vagy az optikai tulajdonságok tervezhetőségére van szükség, így például a napenergia befogásában, a biológiai képalkotásban, vagy a lézertechnikában – nyilatkozta Amar Flood, az Indianai Egyetem vegyésze, aki a Koppenhágai Egyetemen dolgozó Bo Laursennel együtt rangidős szerzőként jegyzi a publikációt. – Ezeken túlmenően még sok érdekes alkalmazási lehetőség nyílik az anyagaink számára. Ilyen lehet a fény átalakítása annak érdekében, hogy a napelemek a Nap sugárzási spektrumának minél szélesebb tartományát összegyűjtsék, de fénnyel vezérelhető anyagként beépíthetők lehetnek információtároló egységekbe vagy fényre sötétedő üvegbe, és a körkörösen polarizált lumineszcencián keresztül a 3D-s kijelzők technológiájában is helyük lehet."

SMILES anyagból készített tárgyakForrás: Amar Flood

Miért nehéz fluoreszcens kristályt előállítani?

Hiába ismerünk immár több mint 100 ezer különféle fluoreszcens festékanyagot, szinte egyik se keverhető össze egyéb adalékanyagokkal úgy, hogy szilárd kristályt képezzen, s közben előre jósolható módon megőrizze fluoreszcens tulajdonságait. A szilárd fluoreszcens anyagok létrehozásának buktatója a „kioltás" (quenching) néven ismert jelenség: ellentétben az oldatokkal, ahol az egyes fluoreszcens molekulák távol vannak egymástól, a szilárd kristályban ezek a molekulák egymás közelségébe kerülnek, és olyan energiaátadási folyamatok zajlanak közöttük, amelyek során a fluoreszcens fény formájában kibocsátható energia nagy része elvész.

A kioltás és a festékanyagok közötti energiacsatolás rögtön problémát jelent, ahogy a fluoreszcens molekulák a szilárd anyagban egymás mellé zsúfolódnak, mint heringek a konzervben – fogalmazott Flood. – Akármit csinálnak, mindenképp egymáshoz érnek, és akkor mint az óvodások a meseolvasás közben, elkezdenek tereferélni egymással, és már nem egyedi molekulákként viselkednek."

Forrás: Amar Flood

A probléma megoldása

Hogy ennek elejét vegyék, Flood és munkatársai egy színes fluoreszcens festéket egy színtelen ún. cianocsillag vegyülettel – egy csillag alakú makrociklikus molekulával – kevertek össze, amely megakadályozza a keverék szilárdulása során a fluoreszcens molekulák közötti kölcsönhatást, így a festék optikai sajátságai változatlanok maradnak. A keverék SMILES-szé kristályosodott, s ebben az állapotában úgy nézett ki, mint egy száraz por, amit vékony rétegben fel lehetett vinni egy felszínre, vagy közvetlenül bele lehetett keverni valamilyen műanyag polimerbe. Mivel a cianocsillag molekulák önként létrehoznak egy szabályos, lyukacsos hálózatot, a kutatók bármilyen fluoreszcens festéket elegyíthetnek velük: a hozzáadott festék elfoglalja a lyukakat, és a keverék minden további beavatkozás nélkül felveszi a festék eredeti színét és megjelenését.

Korábbi kutatásokban már próbálkoztak azzal a megközelítéssel, hogy makrociklikus molekulákkal mint távtartókkal akadályozzák meg a fluoreszcens festékek összezsúfolódását, de az eddigi munkák mind színes makrociklusokat alkalmaztak. Flood és csoportja arra jött rá, hogy a színtelen makrociklusok kulcsfontosságúak a siker szempontjából. Míg mások számára érdektelennek tűntek a színtelen makrociklusok, pont ezek tették lehetővé, hogy az izolációs mátrixban csorbítatlanul, a makrociklus saját színétől nem befolyásolva érvényre jusson a festékek eredeti, ragyogó fluoreszcenciája" – magyarázta Flood.

SMILES anyagok fehér- és UV-fény alattForrás: Amar Flood

Számos tulajdonságuk még nem ismert

A továbbiakban a kutatók szeretnék az új technika révén létrehozott fluoreszcens anyagok tulajdonságait minden irányból körüljárni. A festékmolekulák tervezésére és gyártására szakosodott vegyészekkel együttműködve a legkülönbözőbb alkalmazási területeken kiaknázhatják a szuperfényes anyagok képességeit.

Mivel ezek az anyagok teljesen újak, még nem tudjuk, mely tulajdonságaik adnak majd minden eddiginél jobb lehetőségeket a kezünkbe – tette hozzá Flood. – Nem ismerjük még a korlátaikat sem. Így mindenekelőtt arra törekszünk, hogy megértsük a működésük alapjait, és lefektessünk egy sor rögzített szabályt, amelyek elősegítik a kívánt tulajdonságokkal rendelkező anyagok megtervezését. Ez elengedhetetlen ahhoz, hogy bizalommal mások kezébe adhassuk át az anyagainkat."