De nostalgiska ”självlysande” stjärnorna som blinkar på taket i barnrummen fungerar genom ett fenomen som kallas fosforescens. Här absorberar ett material energi och släpper sedan ut den i form av ljus. Den senaste tidens efterfrågan på mjukare, fosforescerande material har dock ställt forskarna inför en unik utmaning, eftersom det anses svårt att producera organiska vätskor med effektiv fosforescens vid rumstemperatur.
Nu har forskare vid universitetet i Osaka försökt lösa detta problem genom att producera en organisk vätska som fosforescerar i omgivningen. Denna upptäckt har publicerats i Chemical Science.
Traditionella material som kan fosforescerar vid rumstemperatur innehåller tungmetallatomer. Dessa fosforer används för att skapa de färgade elektroniska skärmar som vi använder varje dag, till exempel i våra smartphones. Organiska material, som innehåller kol- och väteatomer (liknande material som finns i naturen), är mer miljövänliga.
Organiska molekyler avger dock vanligtvis den absorberade energin 1 000 gånger långsammare än metallmolekyler och behöver en rigid miljö – till exempel att de är ordnade som ett kristallint fast ämne – för att fosforesera vid rumstemperatur. Kristallina material är ömtåliga och svåra att bearbeta.
Absorptions- och fotoluminescensspektra för vätskan och lösningen. Källa: Yosuke Tani
”Organiska vätskor är ’mjuka’ och kan lätt deformeras och bearbetas”, förklarar huvudförfattaren Yosuke Tani. ”Det är dock svårt att skapa organiska vätskor som lyser vid rumstemperatur eftersom vätskor är flexibla.”
Ett ytterligare problem är att molekylerna i en vätska ligger så tätt att kromoforerna, som absorberar energin, kan bilda aggregat och överföra energin till andra molekyler istället för att frigöra energin som ljus. Sammantaget kan dessa problem resultera i dålig fosforescens-effektivitet.
För att övervinna dessa utmaningar designade teamet ett organiskt molekylärt skelett med en fosforescerande ryggrad, kallad 3-bromo-2-tienyldiketon, till vilken en speciell grupp molekyler fästes – dimetyloctylsilylgruppen – eller DMOS. Att fästa en enda DMOS-grupp visade sig vara fördelaktigt, eftersom detta resulterade i en vätska som var stabil vid rumstemperatur. Ännu mer intressant var att fästningen av två DMOS-grupper störde molekylär aggregering och förhindrade försvagning av fosforescensen.
Den designade molekylen kan producera fosforescens snabbt tack vare sin design, som teamet skapade med effektivitet i åtanke. Kvantutbytet, måttet på effektiviteten i fotokemiska reaktioner, är det högsta som är känt för en organisk vätska och uppgår till cirka tre gånger effektiviteten hos andra organiska vätskor.
”Ljuset som avges av fasta ämnen och vätskor är vanligtvis ganska dämpat, medan vårt material är intensivt gult”, rapporterar Takuji Ogawa, seniorförfattare. ”Denna egenskap hos vår designade molekyl är ett bevis på dess effektivitet.”
Förhoppningen är att dessa förbättringar av fosforescensen kommer att gynna alla tillämpningar av organiska vätskor. Det bör noteras att organiska material som är både fosforescerande och flexibla kommer att leda till nya utvecklingar inom elektroniska displayer, särskilt sådana som kan böjas eller sträckas för att säkerställa funktionaliteten hos bärbara elektroniska enheter.
Mer information: Yosuke Tani et al, Snabb och effektiv fosforescens vid rumstemperatur från metallfria organiska molekylära vätskor, Chemical Science (2025). DOI: 10.1039/D5SC03768A
