突破 150 年來淬滅現象瓶頸,科學家設計出史上最明亮固體螢光材料

作者 | 發布日期 2020 年 08 月 07 日 17:18 | 分類 尖端科技 , 材料 Telegram share ! follow us in feedly


螢光材料從醫學生物標記到太陽能電池都能發揮不小作用,然而它有個瓶頸:染料分子在固體狀態下不再發射光子,這也是為什麼螢光棒裡面添加裝了螢光染料的化學物質是液體。現在科學家終於突破 150 年來一直未解的難題,設計出稱為「SMILES」的新材料,能讓螢光染料分子在固態狀態下發出前所未見的明亮螢光。

為什麼傳統螢光棒發光前要先將它又摔又打又摺(沒那麼誇張),才能使裡面的液體化學成分發光?首先螢光棒裡面還分為內管與外管,各自裝了 2 種不同化學成分的液體,內管為過氧化氫(雙氧水)、外管為酯類化合物與螢光染料的結合物,當內外管混合後導致化學反應,過程中螢光染料藉由光子釋出能量(化學螢光反應),也就是我們能看見的螢光。

然而氣體或液體並不是螢光分子最理想的狀態,它們難以控制和製造,還有洩漏疑慮。變成固體的話,倒是可以在一個空間內堆積更多螢光染料分子,然而問題來了,目前有超過 100,000 種不同的螢光染料可用,但幾乎沒任何一種能以可預測的方式發光。

這是因為螢光染料在固態狀態中緊密堆積後會發生「淬滅」(fluorescence quenching)現象,簡單來說,分子會結合在一起從而降低螢光強度,還會以無法預測的方式改變顏色。

為克服這問題,由印第安納大學 Amar H. Flood、哥本哈根大學 Bo W. Laursen 兩名化學家領導的團隊,將有色染料與含有稱為 cyanostars 環狀分子的無色溶液混合,發現這種配方在轉變為固體後可以讓各染料分子保持分離,進而不影響發光強度,研究人員將該固態混合物稱為 SMILES(small-molecule ionic isolation lattices)。

接著團隊利用 3D 列印製造出 SMILES 固態材料,確認它們在紫外光照射下發出史無前例的明亮螢光,比目前應用於醫學診斷的硒化鎘量子點材料還要亮 30 倍。

雖然研究人員也不知道新材料的發光極限到哪,但至少已提供一個新的製造方向,太陽能相關技術、醫學影像診斷、雷射光甚至藥物開發領域等或都將能受益。新論文發表在《化學》(Chem)期刊。

(首圖來源:Amar Flood/eurekalert

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