科学研究：最明亮的荧光材料诞生

图片展示了3D打印出来的螺旋二十四面体，里面用到的正是明亮的SMILES材料。图片来源：Amar Flood
一篇发表在《化学》（Chem）期刊上的研究报告说，研究人员将带正电荷的荧光染料配制成一类新型材料，名为小分子离子隔离晶格（small-molecule ionic isolation lattices，简称SMILES），制成的化合物光芒灿烂，可无缝转化为固体结晶态。该成果进一步克服了研发荧光固体材料长久以来一直面对的障碍，制造出迄今为止最明亮的荧光材料。
“这些材料有潜力应用于要求使用明亮的荧光，或者要求光学特性设计的任何技术，包括太阳能收集、生物成像和激光器等。”Amar Flood讲道，他是印第安纳大学（Indiana University）的化学家，与哥本哈根大学（University of Copenhagen）的Bo Laursen同为该研究的资深合作者。
“除此之外，（该材料）还有其他有趣的应用价值，包括向上转换光以捕获太阳能电池中更多的太阳能光谱，用于信息储存和光致变色玻璃的光切换材料，还可用于3D显示技术的圆偏振发光。”Flood补充道。


图片来源：Pixabay
尽管目前可用到的不同荧光染料数目超过10万种，但是，几乎没有一种能够以可预测的方式混合匹配，以创造出固体光学材料。染料在转化成固态时会经历“淬灭”（quenching），这一过程是由它们紧密排列时的行为导致的，会降低自身荧光的强度，产生一种更加柔和的光。
“当染料紧密排列在固体中时，会发生淬灭和染料耦合问题。”Flood解释说，“染料就是会相互接触。这就好像坐在一起听故事的小孩子们，他们相互干扰，不再表现出个体行为。”


图片来源：Pixabay
为了克服这一问题，Flood和同事们将彩色染料与氰星（cyanostar）的无色溶液混合在一起，氰星是一种星形大环分子，可防止荧光分子在混合材料固化过程中相互作用，从而保持各自完整的光学特性。随着混合物变成固体，SMILES由此形成，接下来，研究人员使其生长成晶体，再经历沉淀变成干粉，最后纺成薄膜或者直接掺入聚合物中。由于氰星大分子环形成了能够生成晶格状纵横交错排列的构建块，研究人员就很容易地将染料插入晶格中，无需进一步的调整，结构将表现出自己的色彩和外观。
尽管先前的研究早已研发出使用大环分子隔离染料的方法，但那是依靠有色大分子来完成的。Flood和同事发现，无色大环分子才是关键。
“一些人认为，无色大环分子没有吸引力，但它们能够让隔离晶格充分展现出染料明亮的荧光色，且不受大环分子色彩的影响。”
接下来，研究人员计划探查新技术产生的荧光材料特性，以便将来染料制造商能够使用这种材料，实现在不同领域内的全面应用潜力。
“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更加高级的功能。”Flood说，“我们也不知道材料的局限性。所以，我们将会从基础上理解它们的运作机制，提供稳健的设计规则，创造全新特性。在将材料交到其他人手上之前，这些工作非常关键，我们希望展开众包研究，和其他人一起努力探索。”
翻译：阿金
审校：戚译引
引进来源：Cell Press
引进链接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-08/cp-cct073020.php
本文来自：环球科学



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