Gyroïdes brillants imprimés en 3D fabriqués avec des matériaux SMILES brillants. Crédit :Amar Flood
En formulant des colorants fluorescents chargés positivement dans une nouvelle classe de matériaux appelés réseaux d'isolation ionique à petites molécules (SMILES), la lueur brillante d'un composé peut être transférée de manière transparente à un solide, état cristallin, les chercheurs rapportent le 6 août dans le journal Chimie . L'avancée surmonte un obstacle de longue date au développement de solides fluorescents, résultant en les matériaux connus les plus brillants qui existent.
"Ces matériaux ont des applications potentielles dans toute technologie nécessitant une fluorescence brillante ou nécessitant la conception de propriétés optiques, y compris la récupération d'énergie solaire, bio-imagerie, et lasers, " dit Amar Flood, chimiste à l'Université de l'Indiana et co-auteur principal de l'étude avec Bo Laursen de l'Université de Copenhague.
« Au-delà de ceux-ci, il existe des applications intéressantes qui incluent la conversion ascendante de la lumière pour capturer une plus grande partie du spectre solaire dans les cellules solaires, matériaux commutables utilisés pour le stockage d'informations et le verre photochromique, et une luminescence à polarisation circulaire pouvant être utilisée dans la technologie d'affichage 3D, ", dit Flood.
Bien qu'il en existe actuellement plus de 100, 000 colorants fluorescents différents disponibles, presque aucun d'entre eux ne peut être mélangé et apparié de manière prévisible pour créer des matériaux optiques solides. Les colorants ont tendance à subir une "trempe" lorsqu'ils entrent dans un état solide en raison de la façon dont ils se comportent lorsqu'ils sont emballés près les uns des autres, diminuant l'intensité de leur fluorescence pour produire une lueur plus tamisée.
« Le problème de la trempe et du couplage entre les colorants apparaît lorsque les colorants se tiennent côte à côte à l'intérieur des solides, " dit Flood. " Ils ne peuvent s'empêcher de se 'toucher'. Comme de jeunes enfants assis à l'heure du conte, ils interfèrent les uns avec les autres et cessent de se comporter comme des individus."
Une pile de gyroïdes imprimés en 3D brillant dans le noir à partir des matériaux SMILES brillants. Crédit :Amar Flood
Pour surmonter ce problème, Flood et ses collègues ont mélangé un colorant coloré avec une solution incolore de cyanostar, une molécule de macrocycle en forme d'étoile qui empêche les molécules fluorescentes d'interagir lors de la solidification du mélange, en gardant intactes leurs propriétés optiques. Au fur et à mesure que le mélange devenait solide, SOURIRE formés, que les chercheurs ont ensuite transformés en cristaux, précipité en poudres sèches, et enfin filé en un film mince ou incorporé directement dans des polymères. Étant donné que les macrocycles cyanostar forment des blocs de construction qui génèrent un damier en forme de réseau, les chercheurs pourraient simplement brancher un colorant dans le réseau et, sans aucun autre réglage, la structure prendrait sa couleur et son apparence.
Alors que des recherches antérieures avaient déjà développé une approche pour espacer les colorants à l'aide de molécules de macrocycle, il s'est appuyé sur des macrocycles colorés pour faire le travail. Flood et ses collègues ont découvert que les macrocycles incolores étaient essentiels.
"Certaines personnes pensent que les macrocycles incolores ne sont pas attrayants, mais ils ont permis au réseau d'isolement d'exprimer pleinement la fluorescence brillante des colorants non encombrée par les couleurs des macrocycles, " dit Flood.
Comment les gyroïdes imprimés en 3D fabriqués avec des matériaux SMILES sont colorés sous une lumière blanche et émettent une fluorescence vive sous UV. Crédit :Amar Flood
Prochain, les chercheurs prévoient d'explorer les propriétés des matériaux fluorescents formés à l'aide de cette nouvelle technique, leur permettant de travailler avec des fabricants de colorants à l'avenir pour réaliser le plein potentiel des matériaux dans une variété d'applications différentes.
"Ces matériaux sont totalement nouveaux, donc nous ne savons pas lesquelles de leurs propriétés innées vont réellement offrir une fonctionnalité supérieure, " dit Flood. " Nous ne connaissons pas non plus les limites des matériaux. Donc, nous développerons une compréhension fondamentale de leur fonctionnement, fournissant un ensemble robuste de règles de conception pour créer de nouvelles propriétés. Ceci est essentiel pour mettre ces matériaux entre les mains d'autres personnes - nous voulons poursuivre le crowdsourcing et travailler avec d'autres dans cet effort. »
