Die Wissenschaft ist nun einen Schritt näher dran, den Leuchteffekt, der häufig bei Schildern und Uhren zum Einsatz kommt, für eine breitere Palette von Anwendungen zu nutzen, ohne dass seltene Metalle benötigt werden.
Durch die Anwendung einer neuen Strategie zur Kombination organischer Moleküle auf Kohlenstoffbasis haben Forscher der Kyushu-Universität und des Okinawa Institute of Science and Technology (OIST), beide in Japan, die Länge und Stärke des von den vielseitigen Materialien erzeugten Leuchtens drastisch verbessert. Wie in der Fachzeitschrift Nature Materials berichtet wird, können diese neuartigen organischen Materialien leichter zu Farben und Fasern verarbeitet werden als ihre seltene Metalle enthaltenden Gegenstücke.
Die neue Arbeit baut auf der Entdeckung desselben Forscherteams im Jahr 2017 auf, das das weltweit erste organische System zur Erzeugung des Glow-in-the-Dark-Effekts bei Raumtemperatur durch Verschmelzen zweier metallfreier Moleküle entdeckt hat. Das Phänomen des Nachleuchtens wird oft auch als Phosphoreszenz bezeichnet, obwohl dieser Begriff auch für einen anderen Emissionsmechanismus verwendet wird, der häufig in organischen Materialien vorkommt.
Kommerzielle Materialien, die im Dunkeln leuchten, basieren auf anorganischen Verbindungen, die Seltenerdmetalle enthalten, erzielen zwar bereits hervorragende Leistungen, doch ihre anorganische Beschaffenheit schränkt oft ihre Verarbeitungsmöglichkeiten ein.
"Organische Materialien sind leichter verfügbar als anorganische Materialien, die Seltene Metalle enthalten, und ihre Löslichkeit macht ihre Verarbeitung einfacher", erklärt Chihaya Adachi, Professor und Leiter der Forschung an der Kyushu-Universität. "Neben neuen Anwendungen für lichtspeichernde Materialien wie Tinten, Filme und Fasern erwarten wir, dass organische Materialien in Zukunft auch Anwendungen im Bereich der Bio-Bildgebung ermöglichen werden."
Die Länge und Stärke der Emission des von ihnen 2017 entwickelten organischen Materials war jedoch nur etwa ein Hundertstel so stark wie bei anorganischen Materialien, und das Leuchten erlosch schnell in Gegenwart von Sauerstoff.
"Durch eine Änderung unserer Designstrategie ist es uns nun gelungen, die Leistung der organischen Dauerlumineszenz im Vergleich zu unserem vorherigen Bericht um etwa das Zehnfache zu verbessern", sagt Ryota Kabe, Assistenzprofessor und Leiter der Forschung am OIST.
Im Mittelpunkt der Emission steht der Mechanismus der Anregung eines negativ geladenen Elektrons in einen Zustand höherer Energie durch die Absorption von Licht. Der Transfer eines energieärmeren Elektrons von einem nahe gelegenen Donatormolekül, um das vom angeregten Elektron hinterlassene "Loch" zu füllen, führt dazu, dass ein Molekül ein Elektron mehr als normal hat und das andere weniger - eine Situation, die als Ladungstransferzustand bekannt ist.
Die Emission erfolgt, wenn die angeregten Elektronen zu den Molekülen zurückkehren, denen ein Elektron fehlt, und ihre zusätzliche Energie als Licht abgeben. Der Schlüssel zu einem lang anhaltenden Leuchten liegt also darin, die Ladungen dazu zu bringen, sich zu trennen, indem sie zwischen den Molekülen hin- und herspringen, was ihre Rückkehr verlangsamt.
In dieser Studie wählten die Forscher eine Materialkombination, bei der nicht die Elektronen, sondern die Löcher - die von den angeregten Elektronen hinterlassenen Hohlräume - zwischen den Molekülen hin- und herspringen. Löcher sind im Allgemeinen stabiler und weniger reaktionsfreudig gegenüber Sauerstoff, so dass die Lichtemission des Materials in der Luft viel länger anhielt als bei ihren früheren Materialien, bei denen die angeregten Elektronen beweglich waren.
Durch die Verwendung eines absorbierenden Materials, das mit Licht niedrigerer Energie angeregt werden kann, konnten die Materialien nicht nur mit ultraviolettem Licht, sondern auch mit grünem und sogar orangefarbenem Licht angeregt werden. Darüber hinaus konnten die Forscher den Energiespeicherzustand weiter stabilisieren, indem sie ein drittes organisches Material hinzufügten, das die Löcher im Wesentlichen einfängt, ihre Rückkehr verzögert und die Emissionsdauer verlängert.
"Es ist uns nun gelungen, eine längere Dauer und Emission unter atmosphärischen Bedingungen zu erreichen", kommentiert Kabe. "Die Leistung liegt zwar noch unter der von anorganischen Materialien, aber wir hoffen, mit weiteren Forschungen eine Leistung zu erreichen, die die von anorganischen Materialien übertrifft."
Die Forscher hoffen auch, dass die in dieser Forschung entwickelten organischen Materialien dazu beitragen werden, nachhaltige Industrien ohne den Bedarf an seltenen Metallen zu erweitern und zu diversifizieren.
"Wir stellen immer wieder fest, dass die präzise Steuerung organischer Ladungstransfermaterialien die Ausprägung einer Vielzahl von Emissionseigenschaften ermöglicht, nicht nur für Anwendungen, die im Dunkeln leuchten, sondern auch für organische LEDs und Laser. Ich freue mich auf die neuen Möglichkeiten, die eine weitere Vertiefung der Wissenschaft in der Zukunft bringen wird", sagt Adachi.
Weitere Informationen finden Sie unter:
https://www.materialstoday.com/optical-materials/news/new-organic-material-glows-in-the-dark/ [This is automatically translated from English]