Europium Eu(III)-komplexet med nanokolantenn som avger fint rött ljus. Kredit:WPI-ICReDD, Hokkaido universitet
En staplad nanokarbonantenn får ett sällsynt jordartselement att lysa 5 gånger starkare än tidigare design, med tillämpningar i molekylära ljusemitterande enheter.
En unik molekylär design utvecklad av forskare från Hokkaido University får ett europiumkomplex att lysa mer än fem gånger starkare än den bästa tidigare designen när det absorberar blått ljus med låg energi. Resultaten publicerades i tidskriften Kommunikationskemi , och kan leda till effektivare fotosensibilisatorer med en mängd olika applikationer.
Fotosensibilisatorer är molekyler som blir exciterade när de absorberar ljus och sedan överför denna exciterade energi till en annan molekyl. De används i fotokemiska reaktioner, energiomvandlingssystem, och i fotodynamisk terapi, som använder ljus för att döda vissa typer av cancer i tidigt stadium.
Utformningen av för närvarande tillgängliga fotosensibilisatorer leder ofta till oundviklig energiförlust, och så de är inte så effektiva i ljusabsorption och energiöverföring som forskare skulle önska. Det kräver också högenergiljus som UV för excitation.
Yuichi Kitagawa och Yasuchika Hasegawa från Hokkaido Universitys Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) arbetade med kollegor i Japan för att förbättra designen av konventionella fotosensibilisatorer.
Eu(III)-komplexet som innehåller den staplade nanokolstrukturen. Nanokolstrukturen fungerar som en antenn för att skörda ljus och överföra energin till europium effektivt, som sedan avger rött ljus. (Kitagawa Y., Hasegawa Y., et al., Kommunikationskemi, 3 januari, 2020) Kredit:Kitagawa Y., Hasegawa Y., et al., Kommunikationskemi, 3 januari, 2020
Deras koncept är baserat på att förlänga livslängden för ett molekylärt energitillstånd som kallas triplettexciterat tillstånd och minska gapet mellan energinivåerna inom fotosensibilisatormolekylen. Detta skulle leda till effektivare användning av fotoner och minskad energiförlust.
Forskarna designade en nanokol-"antenn" gjord av koronen, ett polycykliskt aromatiskt kolväte innehållande sex bensenringar. Två nanokolantenner staplas ovanpå varandra och ansluts sedan på vardera sidan till den sällsynta jordartsmetallen europium. Extra kontakter läggs till för att stärka bindningarna mellan nanokarbonantennerna och europium. När nanokolantennerna absorberar ljus, de överför denna energi till europium, vilket får komplexet att avge rött ljus.
Experiment visade det komplexa ljuset som absorberades bäst med våglängder på 450 nm. När ett blått LED-ljus (light emitting diode) lyste på komplexet, det glödde mer än fem gånger starkare än europiumkomplexet som hittills haft den starkaste rapporterade emissionen under blått ljus. Forskarna visade också att komplexet tål höga temperaturer över 300 ℃ tack vare sin stela struktur.
"Denna studie ger insikter i designen av fotosensibilisatorer och kan leda till fotofunktionella material som effektivt utnyttjar lågenergiljus, " säger Yuichi Kitagawa från forskargruppen. Den nya designen kan användas för att tillverka molekylära ljusemitterande enheter, bland andra applikationer, säger forskarna.
