Ett team av forskare från North Carolina State University har visat ett sätt att använda lågenergi, synligt ljus för att producera polymergelobjekt från rena monomerlösningar. Arbetet utgör inte bara en potentiell lösning på nuvarande utmaningar med att producera dessa material, den kastar också ytterligare ljus över hur lågenergifotoner kan kombineras för att producera högenergiexciterade tillstånd.

Polymerprodukter – främst plast – används i allt från vattenflaskor till medicinska tillämpningar, med miljarder pund av dessa material som produceras årligen. Utvalda polymerer kan framställas via en process som kallas fri radikalpolymerisation, där en monomerlösning utsätts för ultraviolett (UV) ljus. Den höga energin hos UV-ljus möjliggör reaktionen, bildar polymeren. Fördelarna med denna metod inkluderar färre kemiska avfallsbiprodukter och mindre miljöpåverkan.

Dock, denna metod är inte utan nackdelar. Det högenergi-UV-ljus som används för att generera dessa polymerer kan också bryta ned plast och är olämpligt för framställning av vissa material.

Felix N. Castellano, Goodnight Innovation Distinguished Chair of Chemistry vid NC State, hade tidigare visat att det var möjligt att kombinera lågenergimolekylers exciterade tillstånd för att uppnå mer potenta exciterade tillstånd. I ett nytt bidrag, Castellano och hans team tillämpade en process - kallad homomolekylär triplett-triplettförintelse - på polymerproduktion, genom att använda gult eller grönt ljus med lägre energi för att skapa polymergeler.

Teamet löste zink(II) meso-tetrafenylporfyrin (ZnTPP) i två olika rena monomerer - trimetylolpropantriakrylat (TMPTA) och metylakrylat (MA) - exponerade sedan lösningarna för gult ljus. Energi från ljuset skapar de homomolekylära trillingarna i ZnTPP, och när dessa trillingar kombineras, de skapar ett extremt kortlivat S2-exciterat tillstånd som har tillräckligt med energi för att driva polymerisationsprocessen.

"Medan trillingar verkligen lever länge i kemiska termer - de lever i millisekunder - lever det exciterade S2-tillståndet bara i pikosekunder, vilket är nio storleksordningar mindre, " säger Castellano. "En av de viktiga aspekterna av detta arbete är att visa att om du har en ren vätska kan du använda denna kraftfulla, kortlivat upphetsat tillstånd för att underlätta viktiga omvandlingar. Den rena vätskan säkerställer att elektroner överförs effektivt."

Teamet genomförde spektroskopisk analys av lösningen, fastställandet av det exciterade S2-tillståndet i närvaro av gult och grönt ljus. "Vi använde ZnTPP eftersom det låter dig se ljusemission från två olika exciterade tillstånd och vi kunde skilja mellan lägre energi S1 och högre energi S2 tillstånd, " säger Castellano. "Vi vet att polymerbildning är ett direkt resultat av det exciterade S2-tillståndet, men vi kan också visa att det är vad som händer spektroskopiskt."

Verket visas online i Chem .