化學家創造出最亮螢光材料
2020-08-07 中國科學報作者：唐一塵
8月6日，研究人員在Cell Press細胞出版社旗下期刊Chem（《化學》）上報告說，通過將帶正電荷的螢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化為固態結晶狀態。這一進展克服了長期以來開發螢光固體的障礙，有助於開發目前已知的最亮材料。
「這些材料在任何需要明亮螢光或設計光學特性的技術上都有潛能，包括太陽能收集、生物成像和雷射。」美國印第安納大學化學家Amar Flood說。他與丹麥哥本哈根大學的Bo Laursen均為該論文的資深作者。
「除此之外，還有一些有趣的應用，包括在太陽能電池中對光進行上轉換以捕獲更多的太陽光譜，用於信息存儲和光致變色玻璃的光切換材料以及可用於3D顯示技術的圓偏振螢光。」Flood說。
雖然目前有超過10萬種不同的螢光染料可用，但幾乎沒有一種能以可預測的方式混合和匹配，以製造固體光學材料。當染料進入固態時，由於緊密排列在一起時的表現，它們傾向於經歷「猝滅」，從而降低螢光強度，產生更柔和的輝光。
「當染料在固體中並肩站立時，染料間的猝滅和耦合問題就出現了。」Flood說，「它們情不自禁地『觸摸』彼此。就像小孩子坐在那裡聽故事一樣，它們互相干擾，不再像個體一樣行事。」
為了解決這個問題，Flood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分子，它可以防止螢光分子在混合物凝固時相互作用，保持其完整的光學特性。當混合物變成固體時，SMILES就形成了，然後研究人員將其變成晶體，沉澱成乾粉末，最後製成薄膜或直接與聚合物結合。由於氰星大環形成了類似棋盤格的構建塊，研究人員只需在格子中插入一種染料，無需進一步調整，結構就會呈現出它的顏色和外觀。
雖然，之前的研究已經開發出利用大環分子來分隔染料的方法，但它依賴於彩色大環完成這項工作。Flood 和他的同事發現無色的大環是關鍵。
「有些人認為無色大環沒有吸引力，但是它們允許隔離晶格完全表達染料的明亮螢光，而且不受大環顏色的阻礙。」Flood說。
接下來，研究人員計劃探索使用這種新技術形成的螢光材料的性質，以便在未來與染料製造商合作時，實現該材料在各種不同應用中的全部潛力。
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，並為其創建新屬性提供一套穩健的設計規則。這對於將這些材料交到他人手中至關重要——我們希望尋求眾包，並在這方面與他人合作。」
相關論文信息：http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2020.06.029
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