La chimica ci dona il materiale fluorescente più luminoso di sempre

Formulando coloranti fluorescenti caricati positivamente in una nuova classe di materiali chiamati reticoli di isolamento ionico a piccole molecole (SMILES), il bagliore brillante di un composto può essere trasferito senza problemi a uno stato solido e cristallino, riportano i ricercatori sulla rivista Chem. Il progresso supera una barriera di lunga data allo sviluppo di solidi fluorescenti, risultando nei materiali più luminosi conosciuti esistenti.

“Questi materiali hanno potenziali applicazioni in qualsiasi tecnologia che necessiti di una fluorescenza brillante o che richieda la progettazione di proprietà ottiche, tra cui la raccolta di energia solare, la bioimaging e i laser”, afferma Amar Flood, chimico presso l’Indiana University e co-autore senior dello studio insieme a Bo Laursen.

“Oltre a queste, ci sono applicazioni interessanti che includono l’upconversion della luce per catturare più dello spettro solare nelle celle solari, materiali selezionabili dalla luce utilizzati per l’archiviazione delle informazioni, e il vetro fotocromatico e la luminescenza polarizzata circolarmente che può essere utilizzata nella tecnologia di visualizzazione 3-D,” riferisce Flood.

Come impedire al colore del materiale di “spegnersi”

Sebbene attualmente siano disponibili più di 100.000 coloranti fluorescenti diversi, quasi nessuno di questi può essere miscelato e abbinato in modi prevedibili per creare materiali ottici solidi. I coloranti tendono a “spegnersi” quando entrano in uno stato solido a causa del modo in cui si comportano quando sono ravvicinati, diminuendo l’intensità della loro fluorescenza per produrre un bagliore più tenue.

“Il problema della tempra e dell’accoppiamento inter-colorante emerge quando i coloranti si trovano spalla a spalla all’interno dei solidi”, afferma Flood. “Non possono fare a meno di ‘toccarsi’ l’un l’altro. Come i bambini piccoli seduti al momento della storia, interferiscono tra loro e smettono di comportarsi come individui”.

Per superare questo problema, Flood e colleghi hanno miscelato un colorante con una soluzione incolore di cyanostar, una molecola di macrociclo a forma di stella che impedisce alle molecole fluorescenti di interagire quando la miscela si solidifica, mantenendo intatte le loro proprietà ottiche. Quando la miscela è diventata un solido, si è formato SMILES, che i ricercatori l’hanno poi trasformato in cristalli, precipitato in polveri secche e infine filato in una pellicola sottile o incorporato direttamente nei polimeri.

Poiché i macrocicli cyanostar formano blocchi che generano una scacchiera simile a un reticolo, i ricercatori potrebbero semplicemente inserire un colorante nel reticolo e, senza ulteriori regolazioni, la struttura assumerebbe il suo colore e il suo aspetto.

Sebbene la ricerca precedente avesse già sviluppato un approccio per distanziare i coloranti utilizzando molecole di macrociclo, si basava su macrocicli colorati per svolgere il lavoro. Flood e colleghi hanno scoperto che i macrocicli incolori erano fondamentali.

Applicazioni per il futuro

In seguito, i ricercatori vorrebbero esplorare le proprietà dei materiali fluorescenti formati utilizzando questa nuova tecnica, consentendo loro di lavorare con i produttori di tintura in futuro per realizzare il pieno potenziale dei materiali in una varietà di applicazioni diverse.

“Questi materiali sono completamente nuovi, quindi non sappiamo quali delle loro proprietà innate offriranno effettivamente funzionalità superiori”, afferma Flood. “Inoltre, non conosciamo i limiti dei materiali. Quindi, svilupperemo una comprensione fondamentale di come funzionano, fornendo un solido insieme di regole di progettazione per creare nuove proprietà. Questo è fondamentale per mettere questi materiali nelle mani di altri: noi desideriamo perseguire il crowdsourcing e lavorare con gli altri in questo progetto”.