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世界上最亮荧光材料诞生!可应用于太阳能电池、信息存储或OLED屏等

Emma Chou

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图片来源:Amar Flood

在研究人员发现了一种阻止荧光分子转移到固态时褪色的方法后,开发了一种保留荧光染料光学特性的新材料,“地球上最亮的材料”诞生了!

哥本哈根大学和印第安纳大学的科学家通过带正电荷的荧光染料创造了这种新的发光物质——它具有明亮的辉光。

当染料进入固态时,它们往往会发生“猝灭”——降低荧光强度,从而产生更柔和的辉光。而随着一种叫做小分子离子隔离格(SMILES)的新型材料被开发出来后,得以克服长期存在的制造荧光固体的障碍。

这种“SMILES”新型材料混合了一种有色染料和一种无色的星形分子,这种分子阻止荧光分子相互作用,使它们保持明亮。这项工作并不只是为了好玩!研究人员认为,他们的新技术有很多可能的用途,包括太阳能、激光甚至信息存储。

“这些材料在任何需要明亮荧光或需要设计光学特性的技术上都有潜在的应用,包括太阳能收集、生物成像和激光。”印第安纳大学的化学家阿玛·弗拉德(Amar Flood)说。

“除此之外,还有一些有趣的应用,包括在太阳能电池中进行上转换以捕获更多的太阳光谱,用于信息存储和光致变色玻璃的光可转换材料,以及可用于3D显示技术的圆偏振发光。”

荧光分子吸收光线,然后以较长、较低能量的波长重新发射。除了我们经常在学校笔记本上使用的荧光笔,它们还有很多实际应用,从细胞研究中的荧光生物标记到OLED屏幕技术。

然而,在迄今开发的10万多种荧光染料中,几乎没有一种可以预测和可靠地混合;制造固体荧光材料同样具有挑战性。当染料转化为固体时,它们往往会发生猝灭(亮度变暗),它们的颜色会改变,量子效率也会下降。

这并不是说化学家们没搞清楚为什么会这样。相反,这是一种很容易理解的现象,叫做激子耦合。当染料转化为固体时,它们会紧密地排列在一起,从而导致它们相互耦合。

这种耦合产生的光学变化很难预测,但可以肯定地说,将荧光液体的光学性质可靠地转移到固体中是非常困难的。

“当染料在固体中肩并肩地站立时,染料间的猝灭和染料间的耦合问题就出现了。” 弗拉德说,“它们情不自禁地‘触摸’彼此。就像小孩子坐在那里听故事一样,它们互相干扰,不再像个人一样行事。”

因此,该团队开发了一种解决方案,将荧光分子分开。他们用一种名为“Cyanostar”(2013年由弗拉德等人合成)的大环分子无色溶液,将其与荧光染料混合。

使用大环(一大类环状分子)并不是一个新想法,之前也有人尝试过。但最大的不同是,这些早期的尝试使用了彩色大环。

当他们的新溶液干燥后,它形成了小组所称的小分子离子隔离格(SMILES),有效地将染料分子分隔开来,阻止它们相互作用,并保持高保真度的光学特性。

“有些人认为无色的大环没有吸引力,但是他们允许隔离晶格完全表达染料的明亮荧光,而不受大环颜色的阻碍。”弗拉德说。

这种材料可以在多个方面加以利用。它可以生长成晶体;它可以形成干粉;或者它可以直接与聚合物结合。研究人员发现,它与几种市面上的荧光染料配合得很好,他们在论文中说,这些荧光染料“将这些材料标记为即插即用”。

这意味着目前任何可用的荧光染料都可以与该团队的大环溶液一起生产出一种绚丽的发光固体材料,这种材料可以精确地保存液体染料的特性。

但在我们达到这个目标之前,还有很多工作要做。第一步是开发这种材料。现在研究小组必须研究它。

“这些材料是全新的,所以我们不知道它们的哪些固有特性能够提供优越的功能。” 弗拉德说。

“我们也不知道材料的极限。因此,我们将对它们的工作原理有一个基本的了解,并为创建新属性提供一套稳健的设计规则。这对于把这些材料交到他人手中至关重要——我们希望采用众包的方式,并在这一努力中与他人合作。”

这项研究已经在Cell Press上发表。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文来源:

https://www.sciencealert.com/these-are-the-brightest-fluorescent-materials-ever-made

https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-8600293/Scientists-create-brightest-material-Earth.html


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