困擾150年的問題終於解開,史上最亮螢光材料誕生… | Weekly New (第30期)

2021-02-15 清華經管創業者加速器

應該有很多人都記得小時候玩過的螢光手環，買回來之後折一折甩一甩，到了晚上就會發出各種顏色的光，還會帶在手上和小夥伴一起比誰的最亮。但是經常出現的一個問題就是，過不了多久，螢光棒就會逐漸黯淡下去，不會再維持原有的亮度。

其實，這是螢光材料面臨的一個最普遍的問題，並且困擾了科學家們150年之久。儘管目前已經有超過100,000種螢光染料存在，但是幾乎沒有任何染料能以一種可預測的方法匹配和設計發光材料，由它們轉化成的固態材料分子會緊密排列並相互幹擾，由此產生螢光淬滅和電子耦合問題，導致光子產生的數量在很短的時間內衰減或者消失，從而無法永久的發光。

最近，美國印第安納大學的Flood教授、丹麥哥本哈根大學的Laursen教授領導的研究團隊找到了解決方案。他們的研究方法是，通過將螢光染料和一種含有大環化合物—氰星(cyanostar)的無色溶液混合，凝固形成小分子離子隔離晶格(SMILES)，類似於棋盤格一樣，以阻止螢光分子之間的相互作用, 完美地將染料的光學性質復刻到固體材料中，由此創造了有史以來最明亮的螢光材料。

對於SMILES這種小分子離子隔離晶格，研究人員可以將其變成晶體，也可沉澱成乾粉末，還可製成薄膜或直接與聚合物結合。由於類似棋盤格的構建，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。

這項研究中，最關鍵的一點就是無色的星形大環分子氰星。其實，之前的研究已經開發出利用大環分子來分隔染料的方法，但一直依賴於彩色大環完成。而氰星是無色大環，它不僅可以防止螢光分子在混合物凝固時相互作用，更能保持其完整的光學特性。研究人員使用了多種商業染料用來驗證SMILES材料的普適性，發現氰星的特性使它能夠輕鬆容納幾乎任何螢光染料。

研究團隊認為SMILES這種新型超亮材料擁有很多可能性，它能夠應用於路標上，幫助自動駕駛汽車確定它們在道路上的位置。另外，還可以用於太陽能收集、固體雷射器、醫學診斷、生物標記以及3D顯示等領域。

美國印第安納大學Flood教授也表示：「由於這些材料是全新的，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，我們將需要對它們的工作原理有一個基本的了解，並為創建新屬性提供一套可靠的設計規則。」

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。

本文整理自環球科學、搜狐網、中國光學澎湃號，圖片來自百度圖片

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